DE102010009908A1

DE102010009908A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010009908A1
Application number: DE201010009908
Authority: DE
Inventors: Tilmann Römheld; Michael Wagenplast
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011107128A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mindesten ein an einem Hubzapfen (14) einer Kurbelwelle gelagertes und mit einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundenes Hebelelement (16) mittels einer korrespondierenden Stelleinrichtung (24) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (14) eingestellt wird, wobei vor einem Starten der Hubkolbenmaschine zumindest ein Steuerraum (34, 36) der Stelleinrichtung (24) aus einem Arbeitsmediumsreservoir mit einem Arbeitsmedium zumindest teilweise befüllt und/oder mit dem Arbeitsmedium durchspült und/oder entlüftet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die WO 2007/092168 A2 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis. Zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors an einem exzentrischen Träger gelagert, wodurch die Position der Drehachse der Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors eingestellt werden kann. Der exzentrische Träger ist dabei über eine Gabel von einem hydraulischen Aktuator betätigbar. Dieser Verbrennungsmotor weist weiteres Potenzial zur Darstellung eines effizienten Betriebs auf.
Aus der WO 02/12694 A1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben bekannt, der mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt ist und dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten, insbesondere um eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses zu ermöglichen. Auch diese Hubkolben-Brennkraftmaschine weist Potenzial zur Darstellung eines noch effizienteren Betriebs auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welches einen besonders effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem eine mit einem Hubzapfen an der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine relativ zu dem Hubzapfen drehbar verbundenes Hebelelement mittels einer Stelleinrichtung der Hubkolbenmaschine zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei voneinander verschiedenen Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen eingestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass vor einem Starten der Hubkolbenmaschine zumindest ein Steuerraum der Stelleinrichtung aus einem Arbeitsmediumsreservoir mit einem Arbeitsmedium zumindest teilweise befüllt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren birgt zum einen den Vorteil, dass es eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ermöglicht, und das auf eine kostengünstige Art und Weise infolge der einfachen Weise infolge der einfachen Darstellung der translatorischen Bewegung. Zudem weist die Hubkolbenmaschine einen nur geringen Bauraumbedarf auf, was der Vermeidung von Package-Problemen zugute kommt.
Darüber hinaus ist eine so genannte zylinderselektive Einstellung des Verdichtungsverhältnisses möglich. Dies bedeutet, dass ein jedes Verdichtungsverhältnis eines dem jeweiligen Hubzapfen der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine zugeordneten Zylinders unabhängig von anderen Zylindern einstellbar ist. Daraus resultiert eine Toleranzreduzierung, was einerseits eine besonders präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht und andererseits die Kosten der Hubkolbenmaschine in einem geringen Rahmen hält.
Handelt es sich bei der Stelleinrichtung zum Beispiel um eine hydraulisch betätigbare Stelleinrichtung, die beispielsweise einen Kolben aufweist, der infolge der Beaufschlagung des Steuerraums mit dem Arbeitsmedium bewegbar ist, so ist dadurch, dass vor dem Starten der Hubkolbenmaschine der Steuerraum der Stelleinrichtung mit dem Arbeitsmedium befüllt und mit dem Arbeitsmedium durchspült und entlüftet wird eine Stabilisierung des Systems der Stelleinrichtung realisiert, was die Prozesssicherheit des Verfahrens äußerst positiv beeinflusst.
In jeglicher Hinsicht ist durch das Befüllen und/oder das Entlüften und/oder das Durchspülen eine definierte Startstellung der Stelleinrichtung und damit des Hebelelements zu Beginn des Betriebs der Hubkolbenmaschine darstellbar, aus welcher die Stelleinrichtung zur Darstellung unterschiedlicher, also zumindest zwei voneinander unterschiedlicher, Verdichtungsverhältnisse verbringbar und einstellbar ist.
Zum Durchspülen und Entlüften des Steuerraums wird der Steuerraum beispielsweise durch Einstellen eines Steuerkolbens der Stelleinrichtung mit dem Arbeitsmedium durchspült und/oder entlüftet. Der Steuerkolben der Stelleinrichtung weist beispielsweise Steuerkanten auf, die von dem Arbeitsmedium durchströmbare Kanäle der Stelleinrichtung freigeben und verschließen, wodurch eine gewünschte Menge von Arbeitsmedium in den Steuerraum einstellbar ist. Vorteilhafterweise weist der Steuerkolben also eine Stellung auf, in welcher die Steuerkanten ein Durchspülen und Entlüften des Steuerraums ermöglichen, wodurch Lufteinschlüsse vermieden und etwaige Verschmutzungen aus dem Steuerraum ausgespült werden. Dies ist der Prozesssicherheit des Verfahrens sowie der Funktionserfüllung der Hubkolbenmaschine beziehungsweise der Stelleinrichtung besonders zuträglich, da insbesondere durch das Ausspülen von Verschmutzungen der Verschleiß der Stelleinrichtung insbesondere über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg minimiert wird. Dies führt zu einem effizienten und verbrauchsarmen Betrieb auch über eine hohe Lebensdauer hinweg.
Ein solches Durchspülen und Entlüften kann dabei beispielsweise vor dem Start der Hubkolbenmaschine nach einem Stillstand oder aber auch bei einer Inbetriebnahme der Hubkolbenmaschine sowie bei einer Neubefüllung der Stelleinrichtung mit dem Arbeitsmedium erfolgen.
Der Steuerraum wird zum Beispiel mittels einer Pumpe mit Arbeitsmedium befüllt, wobei es sich um eine elektrisch oder mechanisch angetriebene und externe, das heißt außerhalb der Hubkolbenmaschine angeordnete, Pumpe handeln kann. Ebenso möglich ist, dass der Steuerraum mittels eines Druckspeichers mit Arbeitsmedium befüllt wird, wodurch eine externe und gegebenenfalls Energie benötigende Pumpe nicht vonnöten ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei dem Arbeitsmedium vorteilhafterweise um ein Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, der Hubkolbenmaschine handelt. Dies vermeidet das Vorsehen eines zusätzlichen, von dem Schmiermittel unterschiedlichen Mediums sowie zusätzliche Behältnisse zur Speicherung dieses. Dies hält den Bauraumbedarf der Hubkolbenmaschine sowie die Teileanzahl und damit die Kosten derselbigen gering, da das Schmiermittel und entsprechende Behältnisse sowie Fördereinrichtungen ohnehin vorgesehen sind, um die Hubkolbenmaschine betreiben zu können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Durchspülen und Entlüften des Steuerraums ein geringeres als das maximal einstellbare Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine, insbesondere das geringste einstellbare Verdichtungsverhältnis, eingestellt wird. Dadurch ist eine definierte Startstellung der Stelleinrichtung sowie entsprechender Komponenten geschaffen, was das Anlaufverhalten der Hubkolbenmaschine begünstigt.
Derartige, definierte Startstellungen und Startbedingungen beim Anlassen der Hubkolbenmaschine begünstigen ebenso das Geräuschverhalten der Hubkolbenmaschine (NVH-Verhalten, noise vibration harshness). Dadurch sind unangenehme Geräusche für Insassen eines Kraftwagens mit einer solchen Hubkolbenmaschine vermeidbar. Ebenso begünstigt eine definierte Startstellung geringe Schadstoffe im Abgas der Hubkolbenmaschine, wodurch sich insbesondere beim Start sehr niedrige Abgaswerte erzielen lassen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von an einem jeweiligen Hubzapfen gelagerten und mit jeweils einem korrespondierenden Pleuel verbundenen Hebelelementen mittels jeweils einer zugeordneten Stelleinrichtung unabhängig voneinander zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen eingestellt wird.
Dies ermöglicht eine präzise und bedarfsgerechte Einstellung und Anpassung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine an einen vorliegenden Betriebpunkt derselbigen, was den effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine begünstigt. Die bereits ausgeführte, zylinderselektive Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht eine Toleranzreduzierung, was die Kosten der Hubkolbenmaschine reduziert. Die Hebelelemente können durch eine translatorische Bewegung der jeweiligen Stelleinrichtung eingestellt werden, wobei zumindest ein Steuerraum der jeweiligen Stelleinrichtung mit einem Arbeitsmedium beaufschlagt und dadurch ein Kolben und über den Kolben eine mit diesem befestigte Schubstange bewegt wird.
So ist es auch bei dieser Ausführungsform von Vorteil, den zumindest einen Steuerraum vor einem Starten der Hubkolbenmaschine mit dem Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumsreservoir zumindest teilweise zu befüllen und/oder durchzuspülen und/oder zu entlüften, wodurch einerseits eine definierte Startstellung der Stelleinrichtung sowie ein Reinigen des Steuerraums zur Reduzierung des Verschleißes ermöglicht ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Beschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines Kurbeltriebs einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle mit vier Hubzapfen, an welchen jeweils ein mit einem korrespondierenden Pleuel verbundenes Hebelelement gelagert ist, wobei jedem der Hebelelemente jeweils eine hydraulisch betätigbare und eine translatorische Bewegung ausführbare Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das jeweilige Hebelelement zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen einstellbar ist;
2 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines mit einem Pleuel und einer zugeordneten Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß 1;
3 eine weitere perspektivische Ansicht des mit dem Pleuel und der Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß 2;
4 eine teilweise geschnittene Draufsicht des mit dem Pleuel und der Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß den 2 und 3;
5 eine Schnittansicht einer Stelleinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren; und
6 fünf Längsschnittansichten der Stelleinrichtung gemäß 5 in voneinander unterschiedlichen Stellungen zur Darstellung unterschiedlicher Drehstellungen des Hebelelements und damit zur Darstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse der Hubkolbenmaschine.
Die 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle 12. Die Kurbelwelle 12 weist vier Hubzapfen 14 auf, an welchem jeweils ein Hebelelement 16 gelagert ist, wobei sich also die Hebelelemente 16 relativ zu den jeweiligen Hubzapfen 14 um diese drehen können. Die Hebelelemente 16 sind jeweils mit einem Pleuel 18 gelenkig verbunden und als Querhebel ausgebildet, welche quer zur Rotationsachse der Kurbelwelle 12 verlaufen. Die Pleuel 18 weisen wiederum jeweils ein Pleuelauge 22 auf, über welche das jeweilige Pleuel 22 mit einem in einem Zylinder der Hubkolbenmaschine verschieblich angeordneten Kolben der Hubkolbenmaschine verbindbar ist. Wie bekannt ist, führen die Kolben der Hubkolbenmaschine infolge von Gasexpansionen durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder translatorische Bewegungen durch, die über die Pleuel 18 und die Hebelelemente 16 auf die Hubzapfen 14 und weiter auf die Kurbelwelle 12 übertragen und in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt werden, wodurch sich also die Kurbelwelle 12 gemäß einem Richtungspfeil 20 um ihre Rotationsachse dreht.
Wie der 1 zu entnehmen ist, legen dabei die Kolben und damit die Pleuel 22 stets den gleichen Hub, also die gleiche translatorische Aufwärts- und Abwärtsbewegung aus. Zur Darstellung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ist jedem Hebelelement 16 eine Stelleinrichtung 24 zugeordnet, welche gelenkig mit dem jeweiligen Hebelelement 16 verbunden ist. Mittels der Stelleinrichtungen 24 sind die Hebelelemente 16 zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen drehbar. Dies bewirkt eine Einstellung eines Endvolumens, welches auch als Kompressionsvolumen bezeichnet wird, in dem jeweiligen Zylinder im oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens, da die Drehstellung der Hebelelemente 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 die translatorische Position des unteren und oberen Totpunkts des Kolbens im Zylinder beeinflusst. Eine Vergrößerung des Kompressionsvolumens führt zu einer Verkleinerung des Verdichtungsverhältnisses und/oder umgekehrt. Zur Einstellung der Hebelelement 16 und damit des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine führen die Stelleinrichtungen 24 eine translatorische Bewegung aus, die eine Drehung des jeweiligen Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen bewirkt.
Der Übersicht wegen ist die Funktion der Stelleinrichtungen 24 anhand einer Stelleinrichtung 24 erläutert, welche in den folgenden Figuren dargestellt ist. Die 2 bis 5 zeigen die Stelleinrichtung 24, die einen einen Arbeitsraum 26 aufweisenden Hydraulikzylinder 28 umfasst. In dem Hydraulikzylinder 28 bzw. dessen Arbeitsraum 26 ist ein verschiebbarer Kolben 30 angeordnet, welcher fest mit einer Schubstange 32 verbunden ist. Der Kolben 30 unterteilt den Arbeitsraum 28 in eine erste, in der 2 obere Steuerkammer 34 und eine in der 2 untere, zweite Steuerkammer 36, wobei die Steuerkammern 34 und 36 ein jeweiliges Volumen aufweisen, welche mit einem Arbeitsmedium in Form von Schmieröl der Hubkolbenmaschine beaufschlagbar sind. In der 2 befindet sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 in einer ersten Endstellung, in welcher das Volumen der Steuerkammer 34 minimal und das Volumen der Steuerkammer 36 maximal ist. in diesem Falle ist das Volumen der Steuerkammer 36 mit dem Schmieröl gefüllt, während die Steuerkammer 34 zumindest nahezu kein Schmieröl beinhaltet.
In dieser in der 2 gezeigten Stellung des Kolbens 30 und damit der Stelleinrichtung 24 nimmt das Hebelelement 16 eine erste Drehstellung relativ zu dem Hubzapfen 14 ein, in welchem ein geringes Verdichtungsverhältnis von beispielsweise ε = 7 vorliegt. Soll das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, so muss der Kolben 30 und damit die Stelleinrichtung 24 von der in der 2 gezeigten ersten Endstellung herausbewegt und der Kolben 30 in Richtung einer Fläche 38 bewegt werden. Dies bedeutet also, dass das Volumen der Steuerkammer 36 verkleinert und das Volumen der Steuerkammer 34 vergrößert werden muss. Hierzu muss das Schmieröl aus der Steuerkammer 36 abgeführt und Schmieröl in die Steuerkammer 34 eingeleitet werden.
Um entsprechende und gewünschte Mengen von Schmieröl der jeweiligen Steuerkammer 34 und 36 zuzuteilen, sind Kanäle 40, 42, 44 und 46 vorgesehen, durch welche das Schmieröl fließen kann. Die Kanäle 40, 42 und 44 sind dabei durch entsprechende Steuerkanten 48, 50 und 52 eines bereichsweise in der Schubstange 32 aufgenommenen Steuerkolbens 54 freigebbar und verschließbar.
Zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses geben nun die entsprechenden Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40 und 42 frei, woraufhin das Schmieröl über den Kanal 40 aus dem Steuerraum 36 hinaus und über den Kanal 42 in den Steuerraum 34 hineinfließen kann. Zudem kann weiteres Schmieröl über den Kanal 46 in den Steuerraum 34 einfließen, welchem Schmieröl über eine Welle 62 zuführbar ist. Der Kanal 46 ist dabei mit einer Schmierölversorgung der Hubkolbenmaschine verbunden und gewährleistet die Versorgung der Stelleinrichtung 24 mit ausreichend Arbeitsmedium in Form des Schmieröls. Entsprechende Steuerventile in Form von Rückschlagventilen 56, 58 und 60 verhindern dabei einen unerwünschten Fluss von Schmieröl.
Die Stelleinrichtung 24 lässt insbesondere durch ein Einsatz der Rückschlagventile 56, 58 und 60 zusätzliche Einrichtungen zur Druckförderungen des Schmiermittels, also Pumpen, obsolet werden oder ermöglicht zumindest eine geringe Dimensionierung einer solchen Einrichtung bezüglich ihrer Dimensionen und Leistung, da die Stelleinrichtung 24 quasi selbstständig infolge von an der Schubstange 32 anliegenden Wechselkräften das Schmieröl in die bzw. aus den Steuerkammern 34 und 36 fördert und zwar entsprechend der durch die Steuerkanten 48, 50 und 52 freigegebenen bzw. verschlossenen Kanäle 40, 42 und 44. Die genannten Wechselkräfte resultieren dabei aus aus der genannten Verbrennung resultierenden Druck- und Gaskräften im Zylinder, die über den Kolben, das Pleuel 18 und das Hebelelement 16 auf die Schubstange 32 und damit auf den Kolben 30 übertragen werden, der somit das Schmieröl in die oder aus den entsprechenden Steuerkammern 34 und/oder 36 pumpt.
Dies bedeutet einen äußerst niedrigen Energiebedarf zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, was den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine in einem geringen Rahmen hält.
Dadurch, dass die Stelleinrichtung 24 eine translatorische Bewegung ausführt, birgt sie weiter den Vorteil, dass sie einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist bei gleichzeitiger Realisierung einer sehr präzisen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wodurch die Hubkolbenmaschine sehr präzise an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden kann und somit einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht.
Wie in Zusammenschau mit 1 deutlich wird, weisen der Kurbeltrieb 10 und damit die Hubkolbenmaschine weiterhin den Vorteil auf, dass die Hebelelemente 16 unabhängig voneinander durch die Stelleinrichtungen 24 einstellbar sind, wodurch auch das Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder selektiv einstellbar ist.
Damit die Stelleinrichtung 24 Bewegungen des Hebelelements 16 sowie Bewegungen der Hubkolbenmaschine mit ausführen und gegebenenfalls ausgleichen kann, ist sie schwenkbar um die drehfest an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine abgestützte Welle 62 gehalten und somit schwenkbar und mittelbar am Kurbelgehäuse abgestützt. Die Welle 62 ist unter anderem durch Befestigungselemente 80 festgelegt.
Die 3 verdeutlicht die Betätigung des Steuerkolbens 54 zur Einstellung des Hebelelements 16 und damit zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses. Zur Betätigung des Steuerkolbens 54 umfasst die Stelleinrichtung 24 einen Stift 64, welcher die drehfest am Kurbelgehäuse festgelegte Welle 62 durchdringt und mit einem im Wesentlichen U-förmigen Betätigungselement 66 verbunden ist. Der die Welle 62 über eine entsprechende Bohrung durchdringenden Stift 64 und das im Wesentlichen U-förmige Betätigungselement 66 sind einstückig miteinander ausgebildet und mittels eines nicht dargestellten Aktuators magnetisch translatorisch in Bewegungsrichtung der Schubstange 32 bewegbar. Wird das Betätigungselement 66 über den Stift 64 in Richtung der Schubstange 32 bewegt, so drückt das Betätigungselement 66 den Steuerkolben 54 entgegen einer Federkraft eines einerseits am Steuerkolben 54 und andererseits an der Schubstange 32 abgestützten Federelements 68 in die entsprechende Richtung, woraus eine Relativbewegung des Steuerkolbens 54 zur Schubstange 32 resultiert. Dadurch geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei, wodurch das Schmieröl auf die ausgeführte Art und Weise in die Steuerkammern 34 und/oder 36 hinein oder hinaus fließen kann.
Aus diesem Fluss des Schmieröls resultiert eine Volumenvergrößerung bzw. eine Volumenverkleinerung der Steuerkammern 34 und 36, woraus wiederum eine Relativbewegung des Kolbens 30 und damit der Schubstange 32 zu dem Steuerkolben 54 resultiert. Diese Relativbewegung geschieht solange, bis die Kanäle 40, 42 und 44 die entsprechenden Steuerkanten 48, 50 und 52 des Steuerkolbens 54 überfahren und wiederum verschlossen werden, wodurch der Fluss des Schmieröl gestoppt ist und der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 und damit wiederum das Hebelelement 16 eine vorgegebene Position einnehmen, wodurch ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine eingestellt ist.
Eine umgekehrte Betätigung des Steuerkolbens 54 erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Betätigungselement 66 und der Stift 64 kraftlos geschaltet werden, wodurch das Federelement 68 den Steuerkolben 54 in Richtung des Betätigungselements 66 drücken kann, woraufhin sich das Betätigungselement 66 und der Stift 64 von der Schubstange 32 wegbewegen. In diesem Falle geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei und die Schubstange 32 bewegt sich analog in die andere Richtung.
Hieraus wird deutlich, dass zur Einstellung des Hebelelements 16 und damit des Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine lediglich eine Vorgabe einer Soll-Position des Steuerkolbens 54 über eine Vorgabe einer Soll-Position des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 geschehen muss und sich die Stelleinrichtung 24 dann selbstständig einstellt, bis der Fluss des Schmieröls unterbrochen ist. Eine zusätzliche Betätigung des Steuerkolbens 54 zum Beenden der Einstellung der Stelleinrichtung 24 ist nicht vonnöten. Des Weiteren bedeutet dies, dass etwaige Leckagen infolge von Verschleiß, wie er über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg vorkommen kann, quasi selbstständig durch die Stelleinrichtung 24 ausgeglichen wird. Es ist lediglich eine Anpassung der Vorgabe der Soll-Position des Steuerkolbens 54 bzw. des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 vonnöten. Diese Anpassung kann gegebenenfalls über einen einfachen Abgleich von vorgegebenen Soll-Werten mit mittels Erfassungseinrichtungen erfassten Ist-Werten erfolgen. Dies gewährleistet eine sehr präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auch über eine sehr hohe Lebensdauer der Hubkolbenmaschine hinweg und damit die Darstellung eines sehr effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs derselbigen.
Wie der 3 weiterhin zu entnehmen ist, sind das Betätigungselements 66 und der Steuerkolben 54 nicht fest miteinander verbunden sondern wirken über eine bogenförmige Fläche 70 des Betätigungselements 66 zusammen. Der Mittelpunkt der bogenförmigen Fläche liegt dabei zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse der Stelleinrichtung 24, die mit der Mittelsymmetrieachse der Welle 62 zusammenfällt. Die bogenförmige Fläche 70 gewährleistet einen konstanten Hub und damit eine konstante Bewegung des Steuerkolbens 54 auch bei einer Bewegung bzw. bei einem Verschwenken der Verstelleinrichtung 24 um ihre Schwenkachse, wobei der Steuerkolben 54 diese Schwenkbewegung mit ausführt während das Betätigungselement 66 wie beschrieben drehfest ist. Zur Verbesserung der Kontaktbedingungen zwischen dem Steuerkolben 54 und der bogenförmigen Fläche 70 weist der Steuerkolben 54 einen abgerundeten Kopf auf, der an der bogenförmigen Fläche 70 anliegt und reibungsarm an ihr entlang gleiten kann.
Zur Darstellung der ausgeführten Relativbewegung des Zylinders 28 und damit des Steuerkolbens 54 zu dem Betätigungselement 66 weist der Zylinder 28 einen Schlitz 72 auf, in welchem das Betätigungselement 66 angeordnet ist.
Zur Darstellung einer einfachen und kostengünstigen Montage umfasst der Zylinder 28 drei Teile 74, 76 und 78, wobei der Teil 74 mit dem Teil 76 verbunden ist. Der Teil 78 ist ebenso mit dem Teil 76 verbunden und ist bereichsweise in dem Teil 76 aufgenommen und begrenzt einerseits den Arbeitsraum 26.
Zur Reduzierung des Verschleißes der Hubkolbenmaschine und damit zur Darstellung eines effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs dieser auch über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg werden nun die Stelleinrichtungen 24 vor einem Starten der Hubkolbenmaschine und damit die Hebelelemente 14 in jeweilige, definierte Startstellungen verbracht und somit entsprechende Verdichtungsverhältnisse zum Starten der Hubkolbenmaschine eingestellt.
Dazu wird der jeweilige Steuerraum 34 und/oder 36 mit dem Schmiermittel aus einem Arbeitsmediumsreservoir durchspült, entlüftet und zumindest teilweise befüllt, wodurch unerwünschte Lufteinschlüsse vermieden und die Funktion der Stelleinrichtungen 24 sichergestellt werden. Zudem werden dadurch Verunreinigungen ausgespült, die zu einem erhöhten Verschleiß der Stelleinrichtungen 24 und damit der Hubkolbenmaschine insgesamt führen würden.
Damit der Steuerraum 34 und/oder 36 entlüftet und durchspült werden kann, wird der Steuerkolben 54 über das Betätigungselement 66 und den Stift 64 in eine bestimmte Stellung eingestellt, so dass das Schmiermittel den Steuerraum 34 und/oder 36 sowie die Kanäle 42, 44 und/oder 46 je nach Bedarf durchströmen kann.
Die 6 zeigt die Versteileinrichtung 24 in fünf voneinander unterschiedlichen Stellungen zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Drehstellungen des Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 und zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Hubkolbenmaschine. Gemäß Darstellung A befindet sich die Verstelleinrichtung 24 in der in den 1 bis 5 gezeigten oberen Endstellungen, in welcher dass geringste Verdichtungsverhältnis vorliegt, welches beispielsweise ε = 7 beträgt.
Gemäß Darstellung B befindet sich im Vergleich zu Darstellung A in der Steuerkammer 34 eine größere Menge von Schmieröl, während sich in der Steuerkammer 36 eine geringer Menge von Schmieröl befindet. Dementsprechend hat sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 von der Welle 62 wegbewegt. Durch diese Bewegung verkleinert sich das Kompressionsvolumen im entsprechenden Zylinder der Hubkolbenmaschine, da die Schubstange 32 das Hebelelement 16 in eine andere Drehstellung relativ zu dem Hubzapfen 14 drückt, wobei diese Drehbewegung über das Pleuel 18 in eine translatorische Bewegung des Kolbens im Zylinder umgesetzt wird. Gemäß Darstellung C ist ein Verdichtungsverhältnis von ε = 9,5 eingestellt. Im Vergleich dazu beträgt das Verdichtungsverhältnis bei der gemäß Darstellung D gezeigten Einstellung der Verstelleinrichtung 24 wieder etwas weniger, während das Verdichtungsverhältnis in der gemäß Darstellung E gezeigten Stellung der Versteileinrichtung 24 ε = 14 beträgt. Es ist zu erkennen, dass nun besonders viel Schmieröl in der Steuerkammer 34 aufgenommen ist, während die Steuerkammer 36 nahezu kein Schmieröl mehr beinhaltet. Der Übersicht wegen sind in der 6 die übrigen Bezugszeichen weggelassen, wobei das zu der Versteileinrichtung 24 gemäß den vorhergehenden Figuren Ausgeführte analog auf die Verstelleinrichtung 24 gemäß 6 zutrifft.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Kurbelwelle
14: Hubzapfen
16: Hebelelement
18: Pleuel
20: Richtungspfeil
22: Pleuelauge
24: Stelleinrichtung
26: Arbeitsraum
28: Zylinder
30: Kolben
32: Schubstange
34: Steuerraum
36: Steuerraum
38: Fläche
40: Kanal
42: Kanal
44: Kanal
46: Kanal
48: Steuerkante
50: Steuerkante
52: Steuerkante
54: Steuerkolben
56: Rückschlagventil
58: Rückschlagventil
60: Rückschlagventil
62: Welle
64: Stift
66: Betätigungselement
68: Federelement
70: bogenförmige Fläche
72: Schlitz
74: Teil
76: Teil
78: Teil
80: Befestigungselement
A: Darstellung
B: Darstellung
C: Darstellung
D: Darstellung Darstellung
E: Darstellung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/092168 A2 [0002]
WO 02/12694 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mindesten ein an einem Hubzapfen (14) einer Kurbelwelle gelagertes und mit einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundenes Hebelelement (16) mittels einer korrespondierenden Stelleinrichtung (24) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (14) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Starten der Hubkolbenmaschine zumindest ein Steuerraum (34, 36) der Stelleinrichtung (24) aus einem Arbeitsmediumsreservoir mit einem Arbeitsmedium zumindest teilweise befüllt und/oder mit dem Arbeitsmedium durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (16) durch eine zumindest im Wesentlichen translatorische Bewegung der Stelleinrichtung (24) zwischen den zumindest zwei Drehstellungen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerraum (34, 36) durch Einstellen eines Steuerkolbens (54) der Stelleinrichtung (24) mit dem Arbeitsmedium durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerraum (34, 36) mittels einer Pumpe zumindest teilweise mit Arbeitsmedium befüllt und/oder durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerraum (34, 36) mittels einer außerhalb der Hubkolbenmaschine angeordneten Pumpe zumindest teilweise mit Arbeitsmedium befüllt und/oder durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerraum (34, 36) mittels einer elektrisch oder mechanisch angetriebenen Pumpe zumindest teilweise mit Arbeitsmedium befüllt und/oder durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das der zumindest eine Steuerraum (34, 36) mittels eines Druckspeichers zumindest teilweise mit Arbeitsmedium befüllt und/oder durchspült und/oder entlüftet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchspülen und Entlüften des zumindest einen Steuerraums (34, 36) ein geringeres als das maximal einstellbare Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine, insbesondere das geringste einstellbare Verdichtungsverhältnis, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von an einem jeweiligen Hubzapfen (14) gelagerten und mit jeweils einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundenen Hebelelementen (16) mittels jeweils einer zugeordneten Stelleinrichtung (24) unabhängig voneinander zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen (14) eingestellt wird.