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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, mit wenigstens einem Zylinder und einem darin bewegbaren Kolben, der gelenkig mit einem ersten Ende einer Pleuelstange verbunden ist, die mit einem zweiten Ende gelenkig mit einem Verbindungselement gekoppelt ist, das drehbar auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist und das von einer Einstelleinheit angelenkt ist, mit deren Hilfe das Verdichtungsverhältnis variierbar ist.
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Aus der
US-Patentschrift 7,360,513 B2 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle bekannt, auf dessen Kurbelzapfen ein als zweiarmiger Hebel ausgebildetes Verbindungselement drehbar gelagert ist. Einer der Hebelarme des Verbindungselementes ist dabei über ein Drehgelenk mit einer Pleuelstange verbunden, während das freie Ende des anderen Hebelarms über ein Drehgelenk mit einer Einstelleinheit gekoppelt ist. Diese wird von einem Elektromotor angetrieben, auf dessen Motorachse eine Schnecke sitzt, die mit einem Schneckenrad kämmt, an das exzentrisch eine Kurbel angelenkt ist, die mit dem zweiten freien Ende des Verbindungselementes anhand des Drehgelenks verbunden ist.
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Mit Hilfe der Einstelleinheit in Verbindung mit dem zweiarmigen Hebel lässt sich der Kolbenhub und damit das Verdichtungsverhältnis des aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotors einstellen. Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist jedoch vergleichsweise aufwändig und erfordert einen zusätzlichen Antrieb. Auch erfordert diese Art der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einen vergleichsweisen großen Versatz von Zylindermitte zur Mitte der Kurbelwelle. Daher ist eine einheitliche Motorarchitektur von Motoren mit und ohne Einstellung des Verdichtungsverhältnisse kaum möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotor, insbesondere die Einstellung seines Verdichtungsverhältnisses mit einfachen konstruktiven Maßnahmen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wonach ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Ottomotor, mit wenigstens einem Zylinder und einem darin bewegbaren Kolben vorgeschlagen wird, der gelenkig mit einem ersten Ende einer Pleuelstange verbunden ist, die mit einem zweiten Ende gelenkig mit einem Verbindungselement gekoppelt ist, das drehbar auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist und das von einer Einstelleinheit angelenkt ist, mit deren Hilfe das Verdichtungsverhältnis variierbar ist, wobei die Einstelleinheit ein mit der Kurbelwelle gekoppeltes formschlüssiges Getriebe aufweist.
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Die Erfindung nutzt zum Antreiben der Einstelleinheit bereits notwendigerweise vorhandene Bauteile eines Verbrennungsmotors, sodass sich die Herstellung eines Verbrennungsmotors mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis vereinfacht. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor werden einerseits zusätzliche Teile, wie der gesonderte Antrieb der Einstelleinheit zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eingespart, wodurch nicht nur die Kosten für diesen zusätzlichen Antrieb, wie beispielsweise einen Elektromotor entfallen. Andererseits gestaltet sich auch die Montage des Verbrennungsmotors einfacher, da keine zusätzlichen Bauteile, wie der Antrieb für die Einstelleinheit, der Motormontage logistisch zugeführt und am Motor verbaut werden müssen. Außerdem lässt der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor raumsparender aufbauen. Auch ist es möglich, die Motorgrundstruktur, wie beispielsweise Kurbelwelle und Zylinder, bei einem Motor mit und ohne Einstellmöglichkeit des Verdichtungsverhältnisse zumindest weitgehend vorzugsweise vollumfänglich beizubehalten.
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Besonders bevorzugt weist das formschlüssige Getriebe zumindest einen Getriebeabschnitt auf, der als gleichmäßig übersetzendes Getriebe ausgebildet ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, dass das gleichmäßig übersetzende Getriebe als erste Getriebestufe ausgebildet ist und ein Antriebselement aufweist, das an der Kurbelwelle, konzentrisch zu deren Lagerzapfen, festgesetzt ist.
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Ein gleichmäßig übersetzendes Getriebe lässt sich besonders einfach und raumsparend an die Kurbelwelle ankoppeln, insbesondere dann, wenn das Antriebselement der ersten Getriebestufe auf der Kurbelwelle, konzentrisch zu deren Lagerzapfen festgesetzt ist.
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Besonders einfaches, kostengünstiges und robustes gleichmäßig übersetzende Getriebe ergibt sich, wenn nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, dass das gleichmäßig übersetzende Getriebe als Stirnradgetriebe, insbesondere mit Gradverzahnung ausgebildet ist. Anstelle der Gradverzahnung könnte zur Erzielung einer höheren Laufruhe das Stirnradgetriebe mit einer Schrägverzahnung ausgeführt sein.
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Entsprechend einer nächsten bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, dass das gleichmäßig übersetzende Getriebe ein Abtriebselement besitzt, das als Antrieb für einen zweiten, als Kurbeltrieb, insbesondere als Viergelenkgetriebe ausgebildeten Getriebeabschnitt dient, dessen Abtrieb mit dem Verbindungselement starr verbunden ist.
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Durch die Kombination eines gleichmäßig übersetzenden Getriebes mit einem ungleichmäßig übersetzenden Getriebe ist eine kostengünstige Kinematik zu einer feinfühligen Verstellung des Verbindungselementes bereitgestellt.
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Besonders positionsgenau und robust ist das Abtriebselement des gleichmäßig übersetzenden Getriebes mit dem Antrieb des ungleichmäßig übersetzenden Getriebes, insbesondere des Kurbeltriebes, bevorzugt den Antrieb eines Viergelenkgetriebes verbunden, wenn nach einer nächsten bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, dass das Abtriebselement einen Mitnehmer, insbesondere einen Kurbelzapfen aufweist, der den Antrieb des Kurbeltriebs, insbesondere den Antrieb des Viergelenkgetriebes bildet.
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Besonders bevorzugt ist das Verbindungselement als Exzenter ausgebildet, der auf dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert ist.
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Mit einem Exzenter lässt sich der Kolbenhub und damit das Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors besonders feinfühlig verstellen.
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Durch den Einsatz eines Exzenters zum Einstellen des Verdichtungselementes ist eine Einstellmimik mit einem deutlich reduzierten Bauraum bereitgestellt, wodurch sich die erfindungsgemäße Einstellmimik insbesondere für sehr kompaktbauende Motoren, wie zum Beispiel Zweizylinder- oder Dreizylinder-Motoren, eignet.
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Besonders bevorzugt ist der Exzenter als Exzenterscheibe mit einem an ihrem Außenumfang angeordneten Lagersitz ausgebildet, auf den die Pleuelstange unter Ausbildung eines Drehgelenks gelagert ist.
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Eine derartige gelenkige Ankopplung der Pleuelstange an die Exzenterscheibe ist besonders bauraumsparend. Für den Fall, dass die Pleuelstange ein geschlossenes Lagerauge zur Lagerung am Außenumfang der Exzenterscheibe aufweist, kann die Pleuelstange besonders gewichts- und kostensparend hergestellt werden
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einstelleinheit eine Verstelleinheit umfasst, die mit dem Abtriebselement verbunden ist und die den als Antrieb für den Kurbeltrieb, insbesondere den als Antrieb für das Viergelenkgetriebe dienenden Mitnehmer aufweist.
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Durch die bauliche Zuordnung der Verstelleinheit zu dem Abtriebselement des gleichmäßig übersetzenden Getriebeabschnitts ergibt sich eine weitere Einsparung an Bauraum.
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Gleichzeitig ist durch diese Zuordnung eine besonders einfache Montage der Verstelleinheit zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses bereitgestellt, so dass das Abtriebselement und die Verstelleinheit in einem Vormontageschritt zu einer Baugruppe vormontiert werden können.
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Bevorzugt weist die Verstelleinheit ein mit dem Abtriebselement form- und/oder kraftschlüssig verbundenes Element und ein damit in Wirkverbindung stehendes, über einen vorbestimmten Drehwinkel verdrehbares Element auf, an der als Antrieb für den Kurbeltrieb, insbesondere der als Antrieb für das Viergelenkgetriebe dienende Mitnehmer vorgesehen ist.
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Die Verstellung des beweglichen, beispielsweise als Rotor ausgeführten Elements gegenüber dem ortsfesten, beispielsweise als Statur ausgeführten Elements kann mittels verschiedener Prinzipien, wie z. B. dem aus der Nockenwellenverstellung bekannten hydraulischen Phasenversteller oder mit sonstigen bekannten Stelltrieben, wie beispielsweise Stellmotoren oder dergleichen erfolgen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abtriebselement wenigstens ein Ausgleichsgewicht wenigstens, bevorzugt jedoch zwei Ausgleichsgewichte trägt.
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Durch diesen Massenausgleich erhöht sich die Laufruhe bei Motoren mit zwei oder drei Zylindern.
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Bevorzugt weist die erste Getriebestufe ein Übersetzungsverhältnis von eins zu eins auf.
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Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.
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Es zeigen:
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1 rein schematisch ausschnittsweise einen Zylinder eines Verbrennnungsmotors mit einer zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses dienenden Einstelleinheit in einer ersten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses,
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2 den Verbrennungsmotor gemäß 1 in einer zweiten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und
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3 den Verbrennungsmotor gemäß 2 mit am Antrieb der Einstelleinheit angeordneten Massenausgleichsgewichten.
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Gemäß 1 ist in rein schematischer Darstellung vereinfacht ausschnittsweise ein Verbrennungsmotor 10 mit einem Zylinder 11 gezeigt, in dem ein Kolben 12 linear bewegbar in einer ersten Verdichtungsstellung A angeordnet ist. Der Kolben 12 ist anhand eines Drehgelenkes 13 mit einem ersten Ende einer Pleuelstange 14 verbunden. Diese weist an ihrem zweiten Ende eine im vorliegenden Fall zur Ausbildung eines Drehgelenks 15 dienende Lagerbohrung 16 auf, in die eine im vorliegenden Fall als Lagerbolzen ausgebildete und als Verbindungselement dienende Exzenterscheibe 17 eingefügt ist, die an ihrem Außenumfang mit einem Lagersitz 18 versehen ist.
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Ferner weist die Exzenterscheibe 17 eine Durchgangsbohrung 19 auf, in der ein zu einer Kurbelwelle 20 gehörender Kurbelzapfen 21 drehbar gelagert ist.
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Die Exzenterscheibe 17 ist Teil einer Einstelleinheit 30, die ein formschlüssig wirkendes Getriebe mit eine ersten Getriebestufe I und einer zweiten Getriebestufe II umfasst.
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Von der Kurbelwelle 20 wird ein konzentrisch zu deren nicht gezeigten Lagerzapfen geordnetes, zu der Getriebestufe I gehörendes Zahnrad 31 angetrieben, das als Antriebszahnrad für die Getriebestufe I dient. Ein Zahnrad 32, das ebenfalls zur Getriebestufe I gehört, kämmt mit dem Zahnrad 31 und bildet zusammen mit diesem gleichmäßig übersetzendes, im vorliegenden Fall als Stirnradgetriebe ausgebildetes Getriebe.
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Wie insbes. aus 2 hervorgeht, trägt das Zahnrad 32 einen zu einer Verstelleinheit 33 gehörenden Rotor 34, der mit einem Stator 35 zusammenwirkt und drehfest mit einer Verstellwelle 36 verbunden ist. Die Verstelleinheit 33 arbeitet im vorliegenden Fall aus dem beispielsweise aus der Nockenwellenverstellung bekannten Prinzip eines hydraulischen Phaser und besitzt zwei mit Drucköl beaufschlagbare Kammern 37 und 38.
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Der Stator 35 trägt einen gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Kurbelzapfen ausgebildeten Mitnehmer 39, der den Antrieb eines ungleichmäßig übersetzenden, als Getriebestufe II dienenden Getriebes bildet, das im vorliegenden Fall als Viergelenkgetriebe ausgebildet ist und zusammen mit der Getriebestufe I das formschlüssige Getriebe bildet.
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Der Mitnehmer 39 greift drehbar in eine an einem ersten Ende eines Hebels 40 vorgesehene Lageröse 41 ein, mit der er zusammen ein Drehgelenk ausbildet. Der Hebel 40 ist über ein Drehgelenk 42 mit einem zweiten Hebel 43 gelenkig verbunden, der mit seinem freien Ende auf eine nicht näher dargestellte Weise starr mit dem als Verbindungselement dienenden Exzenter 17 verbunden ist.
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Durch die Verstelleinheit 33 in Verbindung mit den Getriebestufe I und II sowie dem Exzenter 17 ist die Einstelleinheit 30 gebildet, mit deren Hilfe sich der Motor 10 in Abhängigkeit unterschiedlicher Motorkriterien, wie beispielsweise Motordrehzahl oder Motorlast oder einer Kombination aus Motordrehzahl und Motorlast mit einem unterschiedlichen Verdichtungsverhältnis betreiben lässt. Dieses wird von einer nicht näher erläuterten Ansteuereinheit durch eine Verstellung des Rotors 34 gegen den Stator 35 eingestellt. Hierbei werden die zwischen dem Rotor 34 und dem Stator 34 ausgebildeten Kammern 37 und 38 mit Hilfe einer an sich am Motor 10 vorhandenen Öldruckpumpe mit Öl beaufschlagt, das durch die Stellung eines nicht gezeigten Umlenkventils zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in eine der Kammern 37 oder 36 strömt.
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So zeigt 1 eine Einstellung an der Verstelleinheit 33, bei welcher sich ein geringerer Hub des Kolbens 12 und damit die erste Verdichtungsstellung A für den Kolben 12 ergibt, aus der innerhalb des Zylinders 11 ein größeres verbleibendes Zylindervolumen nach der Verdichtung und damit ein geringeres Verdichtungsverhältnis ε resultiert, als in einer zweiten Verdichtungsstellung B des Kolbens 12, wie sie 2 und 3 zeigt. Das in 2 und 3 gezeigte höhere Verdichtungsverhältnis ε resultiert aus einer gegenüber 1 veränderten Einstellung der Verstelleinheit 33. In dieser Einstellung sind Stator 36 und Rotor 35 in einer gegenüber 1 zueinander veränderten Position angeordnet, wodurch sich ein größerer Hub des Kolbens 12 und dementsprechend das höhere Verdichtungsverhältnis ε ergibt.
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Durch die Einstelleinheit 30 kann das Verdichtungsverhältnis beim Betreiben eines Saugmotors, jedoch insbesondere beim Betreiben eines aufgeladenen Motors mit und ohne Kraftstoff Direkteinspritzung zumindest weitgehend optimal gestaltet werden.
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Zur Verbesserung der Laufruhe kann am dem Zahnrad 32 wie besonders 3 zeigt, ein erstes Ausgleichsgewicht 44 zur zumindest weitgehenden Kompensation der freien Massenkräfte erster Ordnung vorgesehen sein. Gegenüber dem Ausgleichsgewicht 44 kann an dem Zahnrad 32 ein weiteres Ausgleichsgewicht 45 vorgesehen sein, das zur weitgehenden Kompensation der Massenmomente erster Ordnung dient.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Zylinder
- 12
- Kolben
- 13
- Drehgelenk
- 14
- Pleuelstange
- 15
- Drehgelenk
- 16
- Lagerbohrung
- 17
- Exzenterscheibe
- 18
- Lagersitz
- 19
- Durchgangsbohrung
- 20
- Kurbelwelle
- 21
- Kurbelzapfen
- 30
- Einstelleinheit
- 31
- Zahnrad
- 32
- Zahnrad
- 33
- Verstelleinheit
- 34
- Rotor
- 35
- Stator
- 36
- Verstellwelle
- 37
- Kammer
- 38
- Kammer
- 39
- Mitnehmer
- 40
- Hebel
- 41
- Lageröse
- 42
- Drehgelenk
- 43
- Hebel
- 44
- Ausgleichsgewicht
- 45
- Ausgleichsgewicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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