-
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 2.
-
Die
DE 196 27 145 C2 offenbart eine Kupplung mit einer Welle, einer zugehörigen Hohlwelle und mit einer zwischen beiden angeordneten Schlingfeder, wobei die Schlingfeder elektrisch betätigbar ist. An der Schlingfeder sind Piezo-Elemente angebracht oder in der Schlingfeder sind Piezo-Elemente integriert, um eine Formänderung zum Öffnen oder Schließen der Schlingfeder elektrisch zu induzieren. Ferner ist aus dieser Druckschrift eine Kupplung mit einer Antriebs- und einer Abtriebswelle bekannt, wobei die An- und/oder Abtriebswelle eine Beschichtung mit Piezo-Elementen aufweist, um durch Betätigen der Piezo-Elemente den Umfang der An- und/oder Abtriebswelle zu variieren.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Mehrzahl von variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnissen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, durch welche ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie die durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Mehrzahl von Brennräumen. Die Brennräume weisen jeweilige variabel einstellbare Verdichtungsverhältnisse auf. Den Brennräumen sind jeweilige Übertragungselemente, über welche die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse einstellbar sind, sowie jeweilige Stellglieder zugeordnet.
-
Mit anderen Worten sind jeweils einem der Brennräume ein Stellglied sowie ein Übertragungselement zugeordnet, über welche das entsprechende Verdichtungsverhältnis dieses Brennraums variabel einstellbar ist. Die Brennräume sind dabei beispielsweise als Zylinder ausgebildet, wobei die Verbrennungskraftmaschine als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Dabei ist in den Zylindern ein jeweiliger Kolben translatorisch relativ zu dem zugehörigen Zylinder bewegbar angeordnet, wobei der jeweilige Kolben beispielsweise mittels des zugehörigen Stellglieds des Zylinders relativ zu diesem bewegbar ist. Dadurch ist das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar.
-
Mittels der jeweiligen Stellglieder, welche einer Stelleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind, sind zum Einstellen der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse voneinander unabhängige Bewegungen der Übertragungselemente in jeweilige erste Bewegungsrichtungen und/oder in jeweilige zweite, den ersten Bewegungsrichtungen entgegengesetzte Bewegungsrichtungen bewirkbar. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein erstes, einem ersten der Brennräume zugeordnetes der Übertragungselemente unabhängig von einem zweiten, einem zweiten der Brennräume zugeordneten der Übertragungselemente mittels des zugehörigen Stellglieds in die erste und/oder die zweite Bewegungsrichtung bewegt werden kann. Dadurch ist eine so genannte brennraumindividuelle, insbesondere zylinderindividuelle, Einstellbarkeit bzw. Verstellbarkeit der Verdichtungsverhältnisse der Verbrennungskraftmaschine realisiert, so dass jedes der Verdichtungsverhältnisse unabhängig von den anderen Verdichtungsverhältnissen eingestellt bzw. verstellt und an thermodynamische Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann. So kann die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine besonders effizient betrieben werden, was mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch und mit geringen CO2-Emissionen einhergeht.
-
Die jeweiligen Stellglieder sind dabei als jeweilige Bremseinrichtung ausgebildet. Dies bedeutet, dass zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse insbesondere ausschließlich die Bremseinrichtungen und nicht etwa zusätzlich anderweitige Stellglieder wie beispielsweise Elektromotoren und/oder hydraulische Aktoren oder dergleichen vorgesehen sind und verwendet werden.
-
Die Bremseinrichtungen sind zum Bewirken der jeweiligen Bewegungen der Übertragungselemente in die ersten oder die zweiten Bewegungsrichtungen von jeweiligen die Bewegungen verhindernden und die Verdichtungsverhältnisse zumindest im Wesentlichen haltenden Bremszuständen in jeweilige die Bewegungen ermöglichende Freigabezustände schaltbar. Mit anderen Worten sind die Bremseinrichtung zwischen den jeweiligen Bremszuständen und den jeweiligen Freigabezuständen schaltbar. In den Bremszuständen werden die eingestellten Verdichtungsverhältnisse der entsprechenden zugehörigen Brennräume zumindest im Wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten, sodass die Verbrennungskraftmaschine mit diesen Verdichtungsverhältnissen über eine gewisse Zeitspanne hinweg betrieben werden kann.
-
Ändert sich beispielsweise ein vorliegender Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, was zur Darstellung eines besonders effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine die Verstellung der Verdichtungsverhältnisse erfordert, so werden die Bremseinrichtungen von den jeweiligen Bremszuständen in die jeweiligen Freigabezustände geschaltet. In den Freigabezuständen können die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse verstellt werden.
-
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist dabei vorgesehen, dass die jeweiligen Bremseinrichtungen dann von den jeweiligen Bremszuständen in die jeweiligen Freigabezustände geschaltet werden, wenn jeweilige Kräfte und/oder Drehmomente insbesondere von den jeweiligen Brennräumen aus zumindest mittelbar auf die jeweiligen Übertragungselemente wirken, die die jeweiligen Bewegungen der Übertragungselemente in die ersten oder zweiten Bewegungsrichtungen zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse bewirken. Mit anderen Worten, wirken die Kräfte und/oder Drehmomente, welche beispielsweise aus Verbrennungsvorgängen in den Brennräumen resultieren, derart auf die jeweiligen Übertragungselemente, dass die Kräfte und/oder Drehmomente die jeweiligen gewünschten Bewegungen zum Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse bewirken, so werden dann die Bremseinrichtung in die Freigabezustände geschaltet. Dadurch können die wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente als Stellkräfte und/oder Stellmomente genutzt werden, um die Übertragungselemente in die gewünschten Bewegungsrichtungen zu bewegen.
-
Dadurch können die Übertragungselemente zumindest im Wesentlichen passiv in die ersten oder zweiten Bewegungsrichtungen bewegt werden. Dies bedeutet, dass nicht etwa aktiv Kräfte und/oder Drehmomente auf die jeweiligen Übertragungselemente aufgebracht werden müssen, um diese entsprechend zu bewegen. Vielmehr können die Übertragungselemente lediglich freigegeben und die ohnehin wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente genutzt werden, um somit die Übertragungselemente passiv, d. h. ohne aktives Zutun und Aufbringen von Stellkräften und/oder Stellmomenten, zu bewegen bzw. sich bewegen zu lassen. Dies hält den Energiebedarf zum Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse besonders gering. Dadurch ist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine besonders effizient betreibbar, was mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und somit mit geringen CO2-Emissionen einhergeht.
-
Ferner kann dadurch der Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden, was zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens, welcher beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet ist, beiträgt.
-
Darüber hinaus ist es bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nicht vonnöten und nicht vorgesehen, jedem einzelnen der Brennräume ein eigenes Stellglied zum Aktiven Bewegen der Übertragungselement zuzuordnen, um so die brennraumindividuelle, insbesondere zylinderindividuelle Einstellung bzw. Verstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu bewirken. Dies hält den Bauraumbedarf, die Teileanzahl, die Kosten und das Gewicht der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders gering.
-
Die jeweiligen Übertragungselemente sind beispielsweise als um jeweilige Drehachsen drehbare Stellwellen bzw. Stellwellenteile ausgebildet, die zum Beispiel und zumindest teilweise an einem Gehäuseteil der Verbrennungskraftmaschine und relativ zu diesem um die jeweiligen Drehachsen drehbar gelagert sind. Dies bedeutet, dass die ohnehin aus Verbrennungsvorgängen in den Brennräumen und Massenkräften resultierenden Kräfte und/oder Drehmomente genutzt werden können, um die jeweiligen Stellwellen bzw. Stellwellenteile um die jeweiligen Drehachsen zu verdrehen, um somit eine Einstellung bzw. Verstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu bewirken. Dies hält den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders gering.
-
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einer Mehrzahl von Brennräumen, welche jeweilige variabel einstellbare Verdichtungsverhältnisse aufweisen. Bei dem Verfahren werden zum Einstellen der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse jeweilige Bewegungen von den Brennräumen jeweils zugeordneten Übertragungselementen, über welche die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse einstellbar sind, in jeweilige erste Bewegungsrichtungen und/oder in jeweilige zweite, den ersten Bewegungsrichtungen entgegengesetzten Bewegungsrichtungen mittels jeweiligen den Brennräumen zugeordneter Stellglieder bewirkt. Dabei werden die als jeweilige Bremseinrichtungen ausgebildeten Stellglieder zum Bewirken der Bewegungen in die Übertragungselemente in die jeweiligen ersten oder die jeweiligen zweiten Bewegungsrichtungen von jeweiligen die Bewegungen verhindernden und die jeweilige Verdichtungsverhältnisse zumindest im Wesentlichen haltenden Bremszuständen in jeweilige die Bewegungen ermöglichende Freigabezustände geschaltet, wenn Kräfte und/oder Drehmomente zumindest mittelbar insbesondere von den Brennräumen aus auf die jeweiligen Übertragungselemente wirken, die die jeweilige Bewegungen der Übertragungselemente in die jeweiligen ersten oder jeweiligen zweiten Bewegungsrichtungen zum Einstellen der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse bewirken. Vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
-
Wie schon im Bezug zur erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine geschildert, werden auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die ohnehin auf die Übertragungselemente wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente genutzt, um die jeweiligen Übertragungselemente zumindest im Wesentlichen passiv in die gewünschten ersten oder zweiten Bewegungsrichtungen zu bewegen und um so die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse auf gewünschte Werte einzustellen. Dabei ist es wie bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nicht vonnöten, zum Einstellen bzw. Verstellen der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse aktiv Stellenergie, d. h. Stellkräfte und/oder Stellmomente, aufzuwenden und auf die Übertragungselemente aufzubringen. Vielmehr ist es lediglich vonnöten, die Übertragungselemente durch das Schalten der Bremseinrichtungen in die Freigabezustände freizugeben, damit die Übertragungselemente, welche beispielsweise als Stellwellen bzw. Stellwellenteile ausgebildet sind, in die gewünschten ersten oder zweiten Bewegungsrichtungen zu bewegen bzw. ein solches Bewegen in Folge der auf die Übertragungselemente wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente freizugeben und zu ermöglichen.
-
Dadurch ermöglicht auch das erfindungsgemäße Verfahren einen besonders effizienten, kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, was mit geringen CO2-Emissionen einhergeht, da ein nur geringer Energieaufwand zum Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse aufzubringen ist.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung 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 Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Perspektivansicht einer Lagerungsanordnung einer Welle an einem Lagerelement, bei welcher die Welle über zwei Lagerteile um eine Drehachse relativ zu den Lagerteilen drehbar an dem Lagerelement gelagert ist, wobei ein Stellglied vorgesehen ist, mittels welchem zum Fixieren der Welle, relativ zu den Lagerteilen eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen bewirkbar ist;
-
2 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Lagerungsanordnung gemäß 1;
-
3 eine schematische Vorderansicht der Lagerungsanordnung gemäß 2;
-
4 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Lagerungsanordnung gemäß den 1 bis 3;
-
5 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Ansicht einer Stelleinrichtung zum zylinderindividuellen Einstellen von Verdichtungsverhältnissen einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine;
-
6 drei Schaubilder zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung gemäß der 1 bis 5; und
-
7 drei Schaubilder zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des Verfahren gemäß der 1 bis 5.
-
Die 1 zeigt eine Lagerungsanordnung 10 einer Welle 12 an einem Lagerelement 14, bei welcher die Welle 12 um eine Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 drehbar an diesem gelagert ist. Dazu umfasst das Lagerelement 14 ein Gestell 18, insbesondere ein Maschinengestell. Das Gestell 18 ist beispielsweise ein Gehäuseteil eines Gehäuses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, in welchem die Welle 12 zumindest bereichsweise aufgenommen ist.
-
Das Lagerelement 14 umfasst ferner einen Lagerdeckel 20, welcher mittels Spannschrauben 22 mit dem Gestell 18 verschraubt ist. Durch das Gestell 18 ist ein erster Teil einer Lageraufnahme, einer Lagerbohrung, für die Welle 12 gebildet. Durch den Lagerdeckel 20 ist ein zweiter Teil der Lageraufnahme für die Welle 12 gebildet. Durch das Lagerelement 14 ist somit ein geteiltes, insbesondere zweigeteiltes, Lager für die Welle 12 gebildet, durch welches die Welle 12 an dem Lagerelement 14 gelagert ist. Die Welle 12 ist dabei zumindest bereichsweise in der Lageraufnahme und in verspanntem Zustand des Gestells 18 mit dem Lagerdeckel 20 so eng in der Lageraufnahme eingespannt, dass ein maximal vorgesehenes Moment, welches auf die Welle 12 wirkt, gerade noch gehalten werden kann, ohne dass sich die Welle 12 relativ zu dem Lagerelement um ihre Drehachse 16 dreht. Dabei ist ein übliches Untermaß für einen Presssitz z. B. 1/1000 des Durchmessers der Lageraufnahme. Eine dazu notwendige Vorspannkraft kann dabei durch die Spannschrauben 22 aufgebracht werden.
-
Zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 sind Piezo-Stacks 24 mit jeweiligen Piezo-Elementen angeordnet und mittels der Spannschrauben 22 eingespannt. Wird an die Piezo-Stacks 24 eine entsprechende elektrische Spannung angelegt, so dehnen sich die Piezo-Stacks 24 zumindest in Richtung des Gestells 18 und/oder in Richtung des Lagerdeckels 20 und somit senkrecht zur Teilung des Lagers aus und stellen eine Lagerluft von etwa der üblichen Größe eines Gleitlagers ein, wobei es sich beispielsweise um ca. 1/1000 des Durchmessers des Lagers handelt.
-
Mit anderen Worten, ist an die Piezo-Stacks 24 keine elektrische Spannung angelegt, so ist die Welle 12 mittels der Spannschrauben 22 zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 geklemmt und relativ zu diesen fixiert, sodass sich die Welle 12 nicht um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und zu dem Lagerdeckel 20 drehen kann. Dieses Klemmen ist dabei auf das maximal auftretende und auf die Welle 12 während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine wirkende Drehmoment abgestimmt, sodass durch das Klemmen dieses Moment abgestützt werden kann und dieses Moment die Welle nicht um die Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 verdrehen kann.
-
Wird an die Piezo-Stacks 24 eine elektrische Spannung angelegt, so wird dadurch eine Relativbewegung zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bewirkt. Dabei bewegen sich das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 relativ zueinander voneinander weg. Dadurch wird das Klemmen der Welle zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 verringert oder gar vollständig aufgehoben, sodass die Welle 12 um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 gedreht werden kann. Ist die Welle 12 in eine gewünschte Drehstellung um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 gedreht, so wird das Anlegen der elektrischen Spannung an die Piezo-Stacks 24 aufgehoben. Dies bewirkt eine Relativbewegung des Gestells 18 und des Lagerdeckels 20 aufeinander zu, beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung des Gestells 18 und des Lagerdeckels 20 infolge der Verschraubung mittels den Spannschrauben 20, sodass die Welle 12 zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 geklemmt und somit relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert wird.
-
Dadurch ist eine besonders schnell zu schaltende und zumindest im Wesentlichen spielfreie Klemmbremse geschaffen, mittels welcher die Welle schnell, das heißt in kurzer Zeit, relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert oder entsprechend freigegeben werden kann. Durch Modulieren der elektrischen Spannung kann somit ein schnelles Lösen und Abbremsen der Welle 12 erreicht werden, wie es beispielsweise bis mindestens in den kHz-Bereich hinein erfolgen kann.
-
Ebenso möglich ist eine Umkehrung des bezüglich der 1 geschilderten Wirkprinzips der Klemmbremse bei der Lagerungsanordnung 10 möglich. Dabei ist die Welle 12 in einem unbestromten Zustand der Piezo-Stacks 24, in welchem an die Piezo-Stacks 24 somit keine elektrische Spannung angelegt wird, freigegeben und um ihre Drehachse 16 relativ zum Lagerelement 14 drehbar. Durch Anlegen der elektrischen Spannung an die Piezo-Stacks ist die Welle relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert und geklemmt. Mit anderen Worten, wird an die Piezo-Stacks 24 eine elektrische Spannung angelegt, was als Bestromen bezeichnet wird, so werden das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 relativ zueinander aufeinander zu (nicht voneinander weg) bewegt, wodurch die Welle 12 geklemmt und fixiert wird. Wird das Bestromen aufgehoben, so wird dadurch eine Relativbewegung des Gestells 18 zu dem Lagerdeckel 20 bewirkt, bei welcher das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung sich relativ zueinander voneinander wegbewegen, was mit dem Freigeben der Welle 12 einhergeht.
-
Die 2 und 3 zeigen eine alternative Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 gemäß 1. Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, ist ein einstückiger Lagerring 26 vorgesehen, über welchen die Welle 12 an dem Lagerelement 14 gelagert ist. Der einstückige Lagerring 26 umfasst ein erstes Lagerteil 28 und einstückig mit dem ersten Lagerteil 28 ausgebildetes zweites Lagerteil 30, welche über einen Schlitz 32 des Lagerrings 26 voneinander beabstandet sind.
-
Der Lagerring 26 weist Verbindungsflansche 34 auf, über welche er mittels Flanschschrauben 36 an dem Gestell 18 angeschraubt und so gehalten ist.
-
In dem Schlitz 32 und somit zwischen dem ersten Lagerteil 28 und dem zweiten Lagerteil 30 ist ein Piezo-Stack 24 mit Piezo-Elementen angeordnet. Die Lagerteile 28 und 30 sind mittels einer Spannschraube 22 über den Piezo-Stack 24 miteinander verspannt, sodass der Piezo-Stack 24 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt ist. Mittels der Spannschraube 22 sind die Lagerteile 28 und 30 miteinander verspannt, sodass die Welle 12 in unbestromtem Zustand des Piezo-Stacks 24 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt ist und sich nicht relativ zum Lagerelement 14 und relativ zum Lagerring 26 um die Drehachse 16 drehen kann.
-
Analog zu dem zur Lagerungsanordnung 10 gemäß 1 Geschildertem wird die Welle 12 durch Bestromen des Piezo-Stacks 24 freigegeben, da durch Anlegen der elektrischen Spannung an den Piezo-Stacks 24 die Lagerteile 28 und 30 relativ zueinander voneinander wegbewegt werden, sodass sich der Spalt 32 vergrößert und die Klemmung der Welle 12 verringert oder aufgehoben wird. Wird die Bestromung beendet, so wird dadurch ein Aufeinanderzubewegen der Lagerteile 28 und 30 beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung infolge ihrer Verspannung mittels der Spannschraube 22 bewirkt, wodurch die Welle 12 geklemmt und relativ zu dem Lagerelement 14 und dem Lagerring 26 fixiert wird.
-
Wie bei der Lagerungsanordnung 10 gemäß 1 ist auch bei der Lagerungsanordnung 10 gemäß den 2 und 3 eine Umkehrung dieses geschilderten Wirkprinzips möglich, sodass durch Bestromen des Piezo-Stacks 24 ein Aufeinanderzubewegen der Lagerteil 28 und 30 und somit ein Klemmen der Welle 12 bewirkt wird. Durch Aufheben der Bestromung wird eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen 28 und 30 bewirkt, durch welche sich die Lagerteile 28 und 30 voneinander wegbewegen, was mit dem Freigeben der Welle 12 einhergeht.
-
Bei dem Lagerring 12 handelt es sich somit um einen Bremsflansch, mittels welchem die Welle relativ zu dem Lagerelement 14 fixierbar und freigebbar ist. Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, weisen die Verbindungsflansche 34 Aussparungen 38 auf, welche eine zumindest im Wesentlichen freie Beweglichkeit in Richtung des Öffnens und Schließens der Bremse ermöglichen. Das Mitdrehen des gesamten Bremsflansches wird jedoch verhindert.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine mehrfache Teilung des Lagers ebenso möglich ist, bei welcher das Lager also in mehr als zwei Teile geteilt ist. Vorteilhafterweise sind Oberflächen des Lagers, an welchem die Welle 12 gelagert ist, derart beschaffen, dass die Oberflächen ein Abbremsen und das Klemmen der Welle 12 auch über eine hohe Lebensdauer hinweg verschleißarm ertragen können. Vorteilhafterweise sind auch die Spannschrauben 22 derart ausgestaltet, dass sie häufige Relativbewegungen zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen können. Das Klemmen der Welle kann auch ergänzend oder alternativ dazu genutzt werden, eine axiale Bewegung der Welle 12 relativ zu dem Lagerelement 14 zu vermeiden. Dies bedeutet, dass durch Klemmen der Welle zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 nicht nur eine Drehung der Welle 12 um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 sondern auch eine axiale Bewegung der Welle 12 entlang ihrer Drehachse 16 verhindert werden kann.
-
Anstelle der Piezo-Stacks 24 sind auch anderweitige Stellglieder wie beispielsweise elektromagnetisch betätigbare Aktoren verwendbar.
-
Die 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 gemäß den 1 bis 3. Es ist ein Piezo-Stack 24 sowie ein Verstärkungselement 40 vorgesehen, über welche das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 mittels der Spannschrauben 22 miteinander verspannt sind. Bei dieser Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 wird das Lager durch die Spannschrauben 22 in seine übliche Form gebracht. Durch Bestromen des Piezo-Stacks wird das Lager zusätzlich verspannt, sodass das Lagerspiel zu Null wird und eine Bremswirkung erzielt wird. Dies bedeutet, dass durch Bestromen des Piezo-Stacks (Anlegen der elektrischen Spannung) die Welle 12 an dem Lagerelement 14 fixiert wird, sodass sich die Welle 12 nicht um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 drehen und auch nicht relativ zu diesem axial bewegen kann.
-
Das Verstärkungselement 40, welches beispielsweise zumindest im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist, leitet eine von dem Piezo-Stack 24 wirkende Kraft gezielt auf das Lager.
-
Bei den Lagerungsanordnungen 10 gemäß den 1 bis 4 ist es ebenso möglich, einzelne, den jeweiligen Spannschrauben 22 zugeordnete Piezo-Stacks zu verwenden, an welchen jeweilige Schraubenköpfe der Spannschrauben 22 abgestützt sind. Dadurch kann durch Bestromen und Aufheben der Bestromung eine jeweilige Längenveränderung der jeweiligen Spannschraube 22 bewirkt werden, wodurch entsprechende Relativbewegungen zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 zum Klemmen bzw. Freigeben der Welle 12 bewirkt werden können.
-
Die 5 zeigt eine Stelleinrichtung 42 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine unabhängig voneinander variabel einstellbar sind. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine weist beispielsweise vier Zylinder auf, welche jeweils ein variabel einstellares Verdichtungsverhältnis aufweisen. Dies bedeutet, dass jedes einzelne Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Zylinder variabel und unabhängig von den jeweiligen anderen Verdichtungsverhältnissen der andern Zylinder eingestellt werden kann. Dies bedeutet, dass die Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell einstellbar bzw. verstellbar und an thermodynamische Erfordernisse des entsprechenden Zylinders anpassbar sind. Dadurch kann beispielsweise ein erster der Zylinder mit einem ersten Verdichtungsverhältnis betrieben werden, welches sich von einem zweiten Verdichtungsverhältnis eines zweiten der Zylinder unterscheidet.
-
Zur Darstellung der zylinderindividuellen Einstellbarkeit bzw. Verstellbarkeit der Verdichtungsverhältnisse umfasst die Stelleinrichtung 42 eine Stellwelle 44, welche vier Teilwellen 46, 48, 50 und 52 umfasst. Die Teilwelle 46 ist dabei einem ersten der Zylinder zugeordnet, während die Teilwelle 48 einem zweiten der Zylinder zugeordnet ist. Dementsprechend ist die Teilwelle 50 einem dritten der Zylinder zugeordnet, während die Teilwelle 52 dem vierten Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist.
-
Die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 sind dabei um jeweilige Drehachsen 54 relativ zu einem Kurbelgehäuse 56 der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine drehbar an dem Kurbelgehäuse 56 gelagert. Das Kurbelgehäuse 56 umfasst dabei Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66, durch welche im Zusammenwirken mit entsprechenden Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 eine Lagergasse 68 gebildet ist, an welcher die Stellwelle 44 gelagert ist. Wie der 5 zu entnehmen ist, sind die Drehachsen 54 dabei koaxial zueinander angeordnet.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es ohne Weiteres möglich ist, die anhand der 5 gezeigte Stelleinrichtung 42 analog auf Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen anzuwenden, welche eine von vier unterschiedliche Anzahl an Zylindern aufweisen. Dabei korrespondiert die Anzahl der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 mit der Anzahl an Zylindern. Mit anderen Worten umfasst die Stelleinrichtung 42 zumindest so viele Teilwellen 46, 48, 50 und 52 wie die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine Zylinder umfasst.
-
Die Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66 sind beispielsweise durch einen jeweiligen Lagerdeckel wie der Lagerdeckel 20 der Lagerungsanordnung 10 gemäß den 1 bis 4 ausgebildet. Dabei sind die Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66 beispielsweise mittels Spannschrauben 22 mit den Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 zur Ausbildung der Lagergasse 68 verbunden, sodass die Gehäuseteile des Kurbelgehäuses 56 beispielsweise analog zu dem Gestell 18 der Lagerungsanordnung 10 gemäß den 1 bis 4 gegeben sind.
-
Die Lagerdeckel 60, 62, 64 und 66 sind dabei mit wenigstens einem jeweiligen Piezo-Stack 24 versehen, mittels welchem eine jeweilige Relativbewegung des korrespondierenden Lagerdeckels 60, 62, 64 und 66 relativ zu dem zugehörigen Gehäuseteil des Kurbelgehäuses 56 analog zu den Piezo-Stacks 24 der Lagerungsanordnung 10 gemäß den 1 bis 4 bewirkbar ist. Dadurch können die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 individuell und unabhängig von den jeweils anderen Teilwellen 46, 48, 50 und 52 geklemmt und somit fixiert oder freigegeben werden. Dadurch ist bei der Stelleinrichtung 42 die anhand der 1 bis 4 geschilderte schnelle, spielfreie und kompakte Klemmbremse realisiert, sodass das jeweils eingestellte, zylinderindividuelle Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen auf einen konstanten Wert über eine gewisse Zeitdauer hinweg gehalten werden kann. Da jeder der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 wenigstens ein eigener Piezo-Stack 24 zugeordnet ist und somit jede der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 individuell freigegeben oder fixiert werden kann, kann somit eine Einstellung bzw. Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für jeden der Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine individuell vorgenommen werden.
-
Die Teilwellen 46, 48 und 50 weisen jeweils eine Lageraufnahme 70, 72 und 74 auf, in welchen die jeweilig folgende Teilwelle 48, 50 und 52 bereichsweise aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass somit die Teilwellen 46, 48 50 und 52 zumindest teilweise gegenseitig gelagert sind, was den Bauraumbedarf, das Gewicht, die Teileanzahl und die Kosten der Stelleinrichtung 42 gering hält. Die einerseits gegenseitig gelagerten Teile 46, 48, 50 und 52 sind andererseits durch die Klemmbremse gelagert, mittels welcher die Teilwellen 48, 50, 52 und 54 relativ zu den Lagerdeckeln 58, 60, 62 und 64 und zu den korrespondierenden Gehäuseteilen fixierbar oder freigebbar sind. Der Lagerdeckel 58 ist dabei nicht mit einem Piezo-Stack 24 versehen, da der Piezo-Stack 24 des Lagerdeckels 60 zu der Teilwelle 46 korrespondiert und dieser ausreicht, um die Teilwelle 46 relativ zu den Lagerdeckeln 58 und 60 und zu den korrespondierenden Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 zu fixieren.
-
Die 6 und 7 zeigen jeweilige Diagramme 76, 78 und 80, anhand welchen ein Verfahren zum zylinderindividuellen Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß 5 veranschaulicht ist. Auf den Abszissen 82 der Diagramme 76, 78 und 80 ist der Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in Grad Kurbelwinkel gemäß einem Richtungspfeil 84 ansteigend aufgetragen. Die Kurbelwelle ist dabei mittelbar mit den in den Zylindern aufgenommenen Kolben gelenkig gekoppelt und dient dazu, die translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern relativ zu diesen in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umzuwandeln.
-
Auf der Ordinate 85 des Diagramms 76 ist der Drehwinkel der Stellwelle 44 oder einer der Teilwellen 46, 48, 50 oder 52 gemäß einem Richtungspfeil 86 ansteigend aufgetragen, welcher stellvertretend für die Drehwinkel aller Teilwellen 46, 48, 50 und 52 angesehen werden kann. In dem Diagramm 76 ist ein Verlauf 88 eingetragen. Anhand des Verlaufs 88 ist erkennbar, dass die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 über dem ansteigenden Kurbelwinkel um ihre Drehachse 54 zu verdrehen ist, um so den zugehörigen Kolben in dem Zylinder relativ zu diesem zu verschieben und so das korrespondierende Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders einzustellen. Wie dem Verlauf 88 ferner zu entnehmen ist, erfolgt dabei die Verdrehung der entsprechenden Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre zugehörige Drehachse 54 stufenweise. Dies resultiert daraus, dass der zugehörige Piezo-Stack 24 und entsprechend die durch diesen realisierte Klemmbremse abwechselnd die Stellwelle 44 bzw. die korrespondierende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 freigibt und fixiert. Dies ist anhand eines Verlaufs 90 in dem Diagramm 78 zu erkennen. Auf der Ordinate 92 des Diagramms 78 ist mit B ein Bremszustand des zugehörigen Piezo-Stacks 24 bezeichnet, während mit F ein Freigabezustand des Piezo-Stacks 24 bezeichnet ist.
-
Befindet sich der Piezo-Stack 24 und damit die durch diesen realisierte Klemmbremse in dem Freigabezustand F, so kann sich die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre Drehachse 54 drehen. Befindet sich der Piezo-Stack 24 und damit die durch diesen realisierte Klemmbremse in dem Bremszustand B, so ist die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50, 52 zwischen dem entsprechenden Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 oder 66 und dem zugehörigen Gehäuseteil des Kuppelgehäuses 56 geklemmt und somit fixiert, sodass sie sich nicht um ihre Drehachse 54 drehen kann.
-
Das Verdrehen der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre zugehörige Drehachse 54 erfolgt dabei zumindest im Wesentlichen passiv unter Ausnutzung von Kräften und/oder Drehmomenten, welche aus Verbrennungsvorgängen in dem zugehörigen Zylinder resultieren und welche ausgehend von diesem Zylinder über den Kolben auf die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 wirken. Befindet sich der Piezo-Stack 24 in dem Freigabezustand F, so können diese über eine gewisse Zeitspanne bzw. über einen gewissen Grad Kurbelwinkel der Kurbelwelle wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente die Teilwelle 46, 48, 50 und 52 verdrehen. Ein aktives Aufbringen und Aufwenden von Stellkräften und/oder Drehmomenten, beispielsweise durch einen aktiven Aktor zum Einstellen bzw. Verstellen eines Verdichtungsverhältnisses ist nicht vorgesehen und nicht vonnöten. Dies hält den Energieaufwand der Stelleinrichtung 42 gering, sodass die zugehörige Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und geringen CO2-Emissionen betrieben werden kann.
-
In dem Diagramm 80 ist ein Verlauf 94 eingetragen, welcher ein auf die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 und/oder 52 wirkendes Drehmoment charakterisiert. Auf der Ordinate 96 sind dabei der Werte des Drehmoments aufgetragen, wobei die Ordinate 96 durch den Wert Null für das Drehmoment in einem positiven Bereich P und in einen negativen Bereich N aufgeteilt ist. Daraus ist es ersichtlich, dass es sich bei dem Drehmoment um ein wechselndes Drehmoments handelt, welches positiv (positiver Bereich P) und negativ (negativer Bereich N) sein kann und entsprechend auf die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50 und 52 wirkt. Dies bedeutet, dass auf die Stellwelle 44 bzw. die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 während des Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine Wechselmomente wirken, die es gestatten, die Verdichtungsverhältnisse rein und durch einen zeitlich zumindest im Wesentlichen genau festgelegten Bremseingriff bzw. durch die Bremseingriffe zu realisieren.
-
Bewirkt beispielsweise das Drehmoment in dem positiven Bereich P ein Drehen der Stellwelle 44 bzw. der entsprechenden Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in eine erste Drehrichtung, was mit einer gewünschten Einstellung bzw. Verstellung des zugehörigen Verdichtungsverhältnisses einhergeht, und wirkt das positive Drehmoment aktuell auf die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52, so wird dann die Klemmbremse gelöst, so dass das positive Drehmoment die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 gewünscht verdreht. Ist demgegenüber eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in eine zweite, der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung erwünscht, und wirkt jedoch das positive Drehmoment (was eine Bewegung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in die erste Drehrichtung bewirken würde), so wird die Klemmbremse geschlossen, sodass die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 fixiert wird und sich nicht drehen kann. Wechselt das Drehmoment dann ins Negative (in den negativen Bereich N) und bewirkt somit das Drehen der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in die gewünschte, zweite Bewegungsrichtung, so wird die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 freigegeben (Freigabezustand F), sodass das negative Drehmoment die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 gewünschterweise in die zweite Drehrichtung dreht und sodass das Verdichtungsverhältnis gewünscht eingestellt werden kann.
-
Die Stelleinrichtung 42 umfasst somit passive Stellglieder, welche als Bremseinrichtungen in Form der Klemmbremse bzw. der Klemmbremsen ausgebildet sind. D. h., das eine eigentliche Stellenergie zum Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse nicht aktiv aufzuwenden ist und vielmehr zumindest im Wesentlichen direkt den Brennräumen bzw. einem Kurbeltrieb mit den Kolben und der Kurbelwelle entnommen wird. Es wird lediglich eine Energie, insbesondere elektrischer Strom, zum Versorgen der Piezo-Stacks 24 mit der elektrischen Spannung benötigt. Diese Energie ist jedoch besonders gering.
-
Die Piezo-Stacks 24 sind weiterhin insofern vorteilhaft, dass sie nur geringe Massenträgheiten aufweisen und somit sehr schnell zwischen den jeweiligen Freigabezuständen F und den jeweiligen Bremszuständen B schaltbar sind. So können die Verdichtungsverhältnisse in einer kurzen Zeit verstellt und bedarfsgerecht eingestellt werden.
-
Die 6 zeigt, wie geschildert, eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 bzw. einer der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 unabhängig von den anderen Teilwellen 46, 48, 50 und 52 in eine, beispielsweise die erste, Drehrichtung. Die 7 zeigt eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 bzw. einer der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 zunächst in die erste und zeitlich anschließend in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lagerungsanordnung
- 12
- Welle
- 14
- Lagerelement
- 16
- Drehachse
- 18
- Gestell
- 20
- Lagerdeckel
- 22
- Spannschraube
- 24
- Piezo-Stack
- 26
- Lagerring
- 28
- Erstes Lagerteil
- 30
- Zweites Lagerteil
- 32
- Schlitz
- 34
- Verbindungsflansch
- 36
- Flanschschraube
- 38
- Aussparung
- 40
- Verstärkungselement
- 42
- Stelleinrichtung
- 44
- Stellwelle
- 46
- Teilwelle
- 48
- Teilwelle
- 50
- Teilwelle
- 52
- Teilwelle
- 54
- Drehachse
- 56
- Kurbelgehäuse
- 58
- Lagerdeckel
- 60
- Lagedeckel
- 62
- Lagerdeckel
- 64
- Lagerdeckel
- 66
- Lagerdeckel
- 68
- Lagergasse
- 70
- Lageraufnahme
- 72
- Lageraufnahme
- 74
- Lageraufnahme
- 76
- Diagramm
- 78
- Diagramm
- 80
- Diagramm
- 82
- Abszisse
- 84
- Richtungspfeil
- 85
- Ordinate
- 86
- Richtungspfeil
- 88
- Verlauf
- 90
- Verlauf
- 92
- Ordinate
- 94
- Verlauf
- 96
- Ordinate
- 98
- Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
- 100
- Pleuel
- 102
- Kurbeltrieb
- B
- Bremszustand
- F
- Freigabezustand
- N
- negativer Bereich
- P
- positiver Bereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
