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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
EP 1 178 194 A2 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinderblock, der einen Zylinder aufweist. In dem Zylinder ist ein Kolben relativ zu dem Zylinder translatorisch bewegbar aufgenommen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Kurbelwelle, welche drehbar in dem Zylinderblock installiert ist. Die Kurbelwelle umfasst einen Kurbelzapfen und ein Gegengewicht. Ferner ist ein Mechanismus zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welcher ein oberes Verbindungselement umfasst. Das obere Verbindungselement weist ein Ende auf, welches gelenkig mit einem Kolbenbolzen des Kolbens verbunden ist. Der Mechanismus umfasst ein unteres Verbindungselement, welches gelenkig an dem Kurbelzapfen gelagert ist.
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Ferner umfasst der Mechanismus ein Teil, das gelenkig an einem anderen Ende des oberen Verbindungselements gelagert ist. Ferner ist eine Kontrollwelle vorgesehen, welche sich im Wesentlichen parallel zur Kurbelwelle erstreckt. Ein Kontrollverbindungselement des Mechanismus umfasst ein erstes Ende, das gelenkig mit dem anderen Ende des unteren Verbindungselements verbunden ist und eine exzentrische Lagerungseinrichtung aufweist, durch welche ein zweites Ende des Kontrollverbindungselements mit der Kontrollwelle verbunden ist, so dass eine Rotation der Kontrollwelle um ihre Drehachse eine Drehung des unteren Verbindungselements um den Kurbelzapfen bewirkt, wodurch der Hub des Kolbens variiert wird.
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Darüber hinaus ist es aus der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen mit mehreren Brennräumen bekannt, die Brennräume mit jeweiligen variablen Verdichtungsverhältnissen zu versehen. Dabei ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Verdichtungsverhältnisse der Brennräume gleichzeitig einstellbar sind. Dies führt dazu, dass nicht alle Brennräume bzw. deren Verdichtungsverhältnisse zumindest im Wesentlichen optimal an Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden können, was mit einem unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch einhergeht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, bei welcher auf kostengünstige Art und Weise ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch realisiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen und insbesondere für einen Personenkraftwagen, umfasst wenigstens drei Brennräume, insbesondere Zylinder, welche jeweils ein variabel einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweisen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ferner eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Verdichtungsverhältnisse der Brennräume variabel einstellbar sind.
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Erfindungsgemäß umfasst die Stelleinrichtung ein erstes Stellelement, mittels welchem die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse eines ersten und eines zweiten der Brennräume gemeinsam einstellbar sind. Dies bedeutet, dass das erste Stellelement dem ersten und dem zweiten Brennraum gemeinsam ist, also dass das erste Stellelement sowohl dem ersten Brennraum als auch dem zweiten Brennraum zugeordnet ist. Dadurch sind die Verdichtungsverhältnisse des ersten und des zweiten Brennraums zumindest im Wesentlichen gleichzeitig variabel einstellbar.
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Die Stelleinrichtung umfasst ferner ein zweites Stellelement, welches dem dritten Brennraum zugeordnet ist und mittels welchem das Verdichtungsverhältnis des dritten Brennraums unabhängig von den Verdichtungsverhältnissen des ersten und des zweiten Brennraums und damit unabhängig von dem ersten Stellelement variabel einstellbar ist. Mit anderen Worten sind die beiden Stellelemente der Stelleinrichtung voneinander unabhängig betätigbar, so dass beispielsweise die Verdichtungsverhältnisse des ersten Brennraums und des zweiten Brennraums auf einen ersten Wert und das Verdichtungsverhältnis des dritten Brennraums auf einen zweiten, vom ersten Wert unterschiedlichen Wert eingestellt werden können.
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So können die Verdichtungsverhältnisse des ersten und des zweiten Brennraums und das Verdichtungsverhältnis des dritten Brennraums unabhängig voneinander paarweise individuell auf jeweilige Betriebszustände der Brennräume eingestellt werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem besonders geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann. Dies geht mit sehr geringen CO2-Emissionen einher.
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Auf Grund der Zuordnung des ersten Stellelements zu dem ersten und dem zweiten Brennraum kann die Teileanzahl sowie der Betätigungsaufwand der Stelleinrichtung geringer gehalten werden, sodass die vorteilhafte Anpassbarkeit der Verdichtungsverhältnisse auf einfache und damit kostengünstige Weise realisiert ist. Ferner weisen die Stelleinrichtung und damit die Verbrennungskraftmaschine dadurch ein geringes Gewicht und einen geringen Bauraumbedarf auf, was insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens zur Vermeidung und/oder zur Losung von Package-Problemen beiträgt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine einen vierten Brennraum mit einem mittels der Stelleinrichtung variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnis aufweist, wobei auch dem vierten Brennraum das zweite Stellelement zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass das zweite Stellelement dem dritten und dem vierten Brennraum gemeinsam ist, so dass mittels des zweiten Stellelements die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse des dritten und des vierten Brennraums gemeinsam einstellbar sind. Die Verdichtungsverhältnisse des dritten und des vierten Brennraums sind dabei unabhängig von den Verdichtungsverhältnissen des ersten und des zweiten Brennraums variabel einstellbar.
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So ist es beispielsweise möglich, dass der erste und der zweite Brennraum mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis betrieben werden können, so dass sich ein wirkungsgradgünstiger und zumindest im Wesentlichen optimaler Betrieb des ersten und des zweiten Brennraums mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch darstellen lässt. Gleichzeitig ist es möglich, einen dritten und vierten Brennraum mit einem für diese Brennräume zumindest im Wesentlichen optimalen und gegenüber den Verdichtungsverhältnissen des ersten und des zweiten Brennraums abgesenkten Verdichtungsverhältnis zu betreiben, um dadurch eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Dies bedeutet, dass auch der zweite des dritten und vierten Brennraums mit dem geringen Verdichtungsverhältnis betrieben wird. So kann die Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden bei gleichzeitiger Vermeidung der klopfenden Verbrennung und damit mit einer Beschädigung der Verbrennungskraftmaschine.
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Dies bedeutet, dass zu diesem vorteilhaften Betrieb bzw. zu dieser vorteilhaften Betreibbarkeit der Verbrennungskraftmaschine lediglich die zwei Stellelemente vonnöten sind, was die Teileanzahl und damit die Kosten der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders gering hält.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Stelleinrichtung für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern, welche jeweilig variabel einstellbare Verdichtungsverhältnisse aufweisen, die mittels der Stelleinrichtung variabel einstellbar sind, wobei mittels der Stelleinrichtung jeweils zwei der vier Verdichtungsverhältnisse gemeinsam und unabhängig von den jeweils anderen zwei Verdichtungsverhältnissen variabel einstellbar sind;
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2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Stelleinrichtung gemäß 1;
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3 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Stelleinrichtung gemäß den 1 und 2.
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Die 1 zeigt eine Stelleinrichtung 10 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern. In den Zylindern der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine sind jeweilige Kolben translatorisch relativ zu den Zylindern verschiebbar aufgenommen. Die Kolben sind dabei über jeweilige Kolbenbolzen gelenkig mit jeweiligen Pleueln verbunden.
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Die einerseits gelenkig mit den Kolben verbundenen Pleuel sind andererseits mit einem Querhebel gelenkig verbunden. Die jeweiligen Querhebel sind dabei an jeweiligen Hubzapfen einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine relativ zu den Hubzapfen drehbar gelagert.
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Die Kurbelwelle ist dabei an einem Kurbelgehäuse bzw. Zylinderkurbelgehäuse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse drehbar gelagert. Durch die gelenkige Kopplung der Kolben über die Pleuel und die Hebelelemente mit der Kurbelwelle können translatorische Bewegungen der Kolben in den Zylindern in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um die Drehachse umgewandelt werden.
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Die einerseits gelenkig mit den Pleueln gekoppelten Querhebel sind andererseits gelenkig mit jeweiligen Nebenpleueln 12, 13, 15 und 17 der Stelleinrichtung 10 gelenkig gekoppelt. Die Nebenpleuel 12, 13, 15 und 17 wiederum sind mit jeweiligen Stellwellen 14 und 16 der Stelleinrichtung 10 gelenkig gekoppelt.
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Die Stellwellen 14 und 16 sind dabei in bzw. an einem Gehäuse der Stelleinrichtung 10 um eine gemeinsame Drehachse 18 relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert. Die Stellwellen 14 und 16 sind beispielsweise als Exzenterwellen ausgebildet und umfassen jeweils Exzenterzapfen, an denen die Nebenpleuel 12, 13, 15 und 17 relativ zu den Exzenterzapfen drehbar gelagert sind. Werden die Stellwellen 14 und 16 gedreht, so bewirkt dies über die Nebenpleuel 12, 13, 15 und 17 eine Drehung der jeweiligen Querhebel relativ zu den Hubzapfen, was wiederum eine Verschiebung der jeweiligen Kolben in den Zylindern bewirkt. Dadurch können die zugeordneten Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine variabel eingestellt und an thermodynamische Erfordernisse angepasst werden.
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Das Nebenpleuel 12 ist dabei einem ersten der Zylinder und damit dessen Verdichtungsverhältnis zugeordnet. Dies bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis des ersten Zylinders mittels des Nebenpleuels 12 variabel eingestellt werden kann. Das Nebenpleuel 13 ist einem zweiten der Zylinder und dessen Verdichtungsverhältnis zugeordnet. Ebenso ist das Nebenpleuel 15 einem dritten der Zylinder und somit dessen Verdichtungsverhältnis zugeordnet, während das Nebenpleuel 17 dem vierten Zylinder und dessen Verdichtungsverhältnis zugeordnet ist. So kann mittels des Nebenpleuels 13 das Verdichtungsverhältnis des zweiten Zylinders, mittels des Nebenpleuels 15 das Verdichtungsverhältnis des dritten Zylinders und mittels des Nebenpleuels 17 das Verdichtungsverhältnis des vierten Zylinders variabel eingestellt werden.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, sind dabei die Nebenpleuel 12 und 13 an der den Nebenpleueln 12 und 13 gemeinsamen Stellwelle 14 gelagert. Dadurch ist die Stellwelle 14, die ein erstes Stellelement der Stelleinrichtung 10 zum variablen Einstellen der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse des ersten und des zweiten Zylinders darstellt, sowohl dem ersten Zylinder und damit dessen Verdichtungsverhältnis als auch dem zweiten Zylinder und damit dessen Verdichtungsverhältnis zugeordnet. Dies bedeutet, dass die Verdichtungsverhältnisse sowohl des ersten als auch des zweiten Zylinders mittels der Stellwelle 14 durch Drehen dieser um ihre Drehachse 18 variabel eingestellt werden können.
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Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, sind die Nebenpleuel 15 und 17 an der Stellwelle 16 gelagert. Dies bedeutet, dass die Stellwelle 16 den Nebenpleueln 15 und 17 gemeinsam ist, so dass die Stellwelle 16 sowohl dem Verdichtungsverhältnis des dritten als auch dem Verdichtungsverhältnis des vierten Zylinders zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Verdichtungsverhältnisse des dritten und des vierten Zylinders gemeinsam durch Drehen der Stellwelle 16 um ihre Drehachse 18 eingestellt werden kann.
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Da die Stellwellen 14 und 16 separat voneinander ausgebildet, drehbar gelagert und somit unabhängig voneinander um die Drehachse 18 drehbar sind, können die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse des ersten und des zweiten Zylinders gemeinsam, jedoch unabhängig von den Verdichtungsverhältnissen des dritten und des vierten Zylinders eingestellt werden. Entsprechend umgekehrt bedeutet dies, dass die Verdichtungsverhältnisse des dritten und des vierten Zylinders gemeinsam, jedoch unabhängig von den Verdichtungsverhältnissen des ersten und des zweiten Zylinders eingestellt werden können.
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Um dies zu bewirken, ist der Stellwelle 14 ein erstes Stellglied 20 der Stelleinrichtung 10 zugeordnet. Das Stellglied 20 ist dabei drehfest mit der Stellwelle 14 koppelbar oder gekoppelt, so dass das Stellglied 20 die Stellwelle 14 um die Drehachse 18 drehen kann. Bei dem Stellglied 20 handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Stellglied 20 als hydraulisch betätigbares Stellglied 20 ausgebildet ist.
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Dementsprechend ist der Stellwelle 16 ein zweites Stellglied 22 der Stelleinrichtung 10 zugeordnet, das mit der Stellwelle 16 drehfest koppelbar oder gekoppelt ist. So kann das Stellglied 20 die Stellwelle 16 um ihre Drehachse 18 unabhängig von der Stellwelle 14 und dem Stellglied 20 drehen. Auch das Stellglied 22 kann als Elektromotor oder als hydraulisch betätigbares Stellglied 22 ausgebildet sein. Anderweitige Ausgestaltungen der Stellglieder 20 und 22 sind ohne weiteres möglich.
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Wie in der 1 ferner erkennbar ist, ist die Stellwelle 14 als Hohlwelle ausgebildet, welche bereichsweise auf der als Vollwelle ausgebildeten Stellwelle 16 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Stellwelle 16 bereichsweise in der Stellwelle 14 aufgenommen. So kann der Bauraumbedarf der Stelleinrichtung 10 insbesondere in Längserstreckungsrichtung der Stellwellen 14 und 16 gering gehalten werden. Dies geht mit einem geringen Bauraumbedarf der gesamten Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine einher.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Stelleinrichtung 10. Bei der Stelleinrichtung 10 gemäß 2 sind das dem ersten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 12 und das dem vierten Zylinderzugeordnete Nebenpleuel 17 an der Stellwelle 14 gelagert. Dementsprechend sind das dem zweiten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 13 und das dem dritten Zylinderzugeordnete Nebenpleuel 15 an der Stellwelle 16 gelagert. Dabei ist die Stellwelle 14 zweiteilig ausgebildet und umfasst ein erstes Wellenteil 24 und ein zweites Wellenteil 26. Die Wellenteile 24 und 26 sind dabei in Längserstreckungsrichtung der Stellwellen 14 und 16 voneinander beabstandet und über eine Verbindungswelle 28 drehfest miteinander gekoppelt oder koppelbar. Dadurch ist es möglich, die Stellwelle 14 trotz ihrer zweiteiligen Ausgestaltung mittels des lediglich einen Stellglieds 20 zu betätigen. Das Stellglied 20 kann dabei das erste Wellenteil 24 antreiben, welches dann wiederum über die Verbindungswelle 28 das zweite Wellenteil 26 antreibt und um die Drehachse 18 dreht.
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Zum Koppeln der Verbindungswelle 28 mit den Wellenteilen 24 und 26 sind in der 2 schematisch angedeutete Durchtrittsöffnungen 30 vorgesehen, welche beispielsweise als Langlöcher ausgebildet sind.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stelleinrichtung 10 gemäß den 1 und 2. Bei der Stelleinrichtung 10 gemäß 3 sind nun das dem ersten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 12 und das dem vierten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 17 an der Stellwelle 16 gelagert. Entsprechend sind das dem zweiten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 13 und das dem dritten Zylinder zugeordnete Nebenpleuel 15 an der Stellwelle 14 gelagert, welche wiederum zweiteilig ausgebildet ist und die Wellenteile 24 und 26 umfasst. Die Wellenteile 24 und 26 sind dabei über die Verbindungswelle 28 und die Durchtrittsöffnungen 30 miteinander koppelbar bzw. gekoppelt, so dass das Stellglied 20 über die Wellenteile 24 und 26 die Nebenpleuel 13 und 15 bewegen und so die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse gemeinsam einstellen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stelleinrichtung
- 12
- Nebenpleuel
- 13
- Nebenpleuel
- 14
- Stellwelle
- 15
- Nebenpleuel
- 16
- Stellwelle
- 17
- Nebenpleuel
- 18
- Drehachse
- 20
- Stellglied
- 22
- Stellglied
- 24
- Wellenteil
- 26
- Wellenteil
- 28
- Verbindungswelle
- 30
- Durchtrittsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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