DE102011111816B4 - Device with eccentric piston pin to achieve a variable compression ratio in a reciprocating piston engine - Google Patents

Device with eccentric piston pin to achieve a variable compression ratio in a reciprocating piston engine Download PDF

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    • F02D15/02—Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke

Abstract

Vorrichtung zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor (100) umfassend einen Kolbenbolzen (110) mit einem ersten zylindrischen Abschnitt (112), einem zweiten zylindrischen Abschnitt (114) und einem dritten zylindrischen Abschnitt (116), wobei der erste zylindrische Abschnitt (112) und der dritte zylindrische Abschnitt (116) koaxial zueinander angeordnet sind und der zweite zylindrische Abschnitt (114) zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt (112) und dem dritten zylindrischen Abschnitt (116) angeordnet ist, wobei die Mittelachse des zweiten zylindrischen Abschnitts (114) um einen Abstand e parallel zur gemeinsamen Mittelachse (118) des ersten zylindrischen Abschnitts (112) und des dritten zylindrischen Abschnitts (116) verschoben ist und somit einen Exzenter bildet, und wobei der Kolbenbolzen (110) mindestens ein Fixiermittel (122) aufweist, mittels welchem der Kolbenbolzen drehfest gegenüber dem Kolben (108) des Hubkolbenmotors (100) fixierbar ist dadurch gekennzeichnet, dass als Fixiermittel (122) mindestens ein Verriegelungselement (124) vorgesehen ist, das derart in dem Kolbenbolzen (110) gelagert ist, dass es zur Fixierung des Kolbenbolzens (110) radial in eine Position verfahrbar ist, in welcher es aus dem ersten zylindrischen Abschnitt (112), dem zweiten zylindrischen Abschnitt (114) und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt (116) herausragt.Device for achieving a variable compression ratio in a reciprocating piston engine (100) comprising a piston pin (110) with a first cylindrical section (112), a second cylindrical section (114) and a third cylindrical section (116), the first cylindrical section (112 ) and the third cylindrical section (116) are arranged coaxially to one another and the second cylindrical section (114) is arranged between the first cylindrical section (112) and the third cylindrical section (116), the central axis of the second cylindrical section (114) is displaced by a distance e parallel to the common central axis (118) of the first cylindrical section (112) and the third cylindrical section (116) and thus forms an eccentric, and wherein the piston pin (110) has at least one fixing means (122), by means of which the piston pin can be fixed in a rotationally fixed manner with respect to the piston (108) of the reciprocating piston engine (100) is characterized in that at least one locking element (124) is provided as the fixing means (122), which is mounted in the piston pin (110) in such a way that it can be moved radially into a position in which it is from for fixing the piston pin (110) the first cylindrical section (112), the second cylindrical section (114) and / or the third cylindrical section (116) protrudes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Exzenter-Kolbenbolzen zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor.The invention relates to a device with an eccentric piston pin for achieving a variable compression ratio in a reciprocating piston engine.

Aus DE 38 18 357 C2 sind Vorrichtungen zum Blockieren der Drehung eines exzentrischen Lagers einer Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses bekannt, bei welchen eine Vielzahl von Blockierstiften in einer Pleuelstange derart angeordnet sind, dass durch den Eingriff der Blockierstifte in entsprechende Blockierlöcher die Drehung des exzentrischen Lagers relativ zur Pleuelstange blockiert wird.Out DE 38 18 357 C2 Devices for blocking the rotation of an eccentric bearing of a device for changing the compression ratio are known in which a plurality of blocking pins are arranged in a connecting rod such that the rotation of the eccentric bearing relative to the connecting rod is blocked by the engagement of the blocking pins in corresponding blocking holes.

Aus DE 31 08 486 A1 ist eine Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, die einen hohlen Kolbenbolzen mit einer starr darauf befestigten Exzenterbuchse umfasst. Das Pleuelauge ist auf der Exzenterbuchse an dem kolbenseitigen Ende der Pleuelstange drehbar gelagert. Es weist einen radial geführten Zapfen auf, der in eine an dem Mantel der Exzenterbuchse angebrachte schräg zur Achsrichtung verlaufende Nut eingreift. Mit Hilfe dieses Zapfens lässt sich die Exzenterbuchse verdrehen und somit das Verdichtungsverhältnis verändern.Out DE 31 08 486 A1 a device for controlling the compression ratio of an Otto reciprocating internal combustion engine is known which comprises a hollow piston pin with an eccentric bushing rigidly fastened thereon. The connecting rod eye is rotatably mounted on the eccentric bushing at the piston-side end of the connecting rod. It has a radially guided pin which engages in a groove which is attached to the jacket of the eccentric bush and runs obliquely to the axial direction. With the help of this pin, the eccentric bushing can be turned and the compression ratio can be changed.

Aus GB 2 251 457 A ist ein Verbrennungsmotor mit Exzenter bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis mit Hilfe einer zwischen Kolben und Pleuelstange angeordneten Feder variierbar ist.Out GB 2 251 457 A an internal combustion engine with an eccentric is known, the compression ratio of which can be varied with the aid of a spring arranged between the piston and the connecting rod.

Aus EP 1 424 486 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis mit Hilfe einer im Bereich des kleinen Pleuelauges angeordneten Exzenter-Vorrichtung variierbar ist, welche über Planetenräder betätigt wird.Out EP 1 424 486 A1 an internal combustion engine is known, the compression ratio of which can be varied with the aid of an eccentric device which is arranged in the area of the small connecting rod eye and is actuated via planet gears.

Aus AT 506 470 A2 ist eine Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit einem Exzenter im Bereich des Kolbenbolzenlagers und/oder des Pleuellagers bekannt, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis abhängig vom Brennraumdruck über eine Drehfeder variierbar ist.Out AT 506 470 A2 a device for modifying the piston kinematics of an internal combustion engine with an eccentric in the area of the piston pin bearing and / or the connecting rod bearing is known, by means of which the compression ratio can be varied depending on the combustion chamber pressure via a torsion spring.

Aus US 4 864 975 A ist ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis über einen exzentrischen Kolbenbolzen variierbar ist. Bei diesem Verbrennungsmotor wird der Exzenter über einen in der Pleuelstange geführten Stift verriegelt, der in eine auf der Außenseite des Kolbenbolzens angeordnete Nut eingreift.Out U.S. 4,864,975 A an internal combustion engine is known whose compression ratio can be varied via an eccentric piston pin. In this internal combustion engine, the eccentric is locked via a pin guided in the connecting rod, which engages in a groove arranged on the outside of the piston pin.

Aus EP 0 297 904 A2 ist eine weitere Vorrichtung zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen exzentrischen Kolbenbolzen, der drehbar zwischen einem Kolben und einer Pleuelstange angeordnet ist, einen Verriegelungsstift zum Verriegeln des Kolbenbolzens an der Pleuelstange und eine Vorrichtung zum Bewegen des Verriegelungsstifts. Der Verriegelungsstift kann entlang einer in der Pleuelstange ausgebildeten Gleitnut in eine in dem Kolbenbolzen ausgebildete Führungsnut bewegt werden und dadurch die Position des Kolbenbolzens fixieren.Out EP 0 297 904 A2 Another device for changing a compression ratio for an internal combustion engine is known. The device comprises an eccentric piston pin rotatably disposed between a piston and a connecting rod, a locking pin for locking the piston pin to the connecting rod, and a device for moving the locking pin. The locking pin can be moved along a sliding groove formed in the connecting rod into a guide groove formed in the piston pin and thereby fix the position of the piston pin.

Aus DE 10 2008 038 077 A1 ist ein Kolben für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis bekannt. Das verstellbare Verdichtungsverhältnis ist über einen exzentrisch verstellbaren Kolbenbolzen realisiert, welcher drehbar mit einem Pleuel verbunden ist. Durch ein Verriegelungselement, das formschlüssig mit dem Kolben in Eingriff bringbar ist, ist der Kolbenbolzen in einer Position arretierbar.Out DE 10 2008 038 077 A1 a piston for a reciprocating piston engine with an adjustable compression ratio is known. The adjustable compression ratio is realized via an eccentrically adjustable piston pin which is rotatably connected to a connecting rod. The piston pin can be locked in one position by means of a locking element which can be brought into engagement with the piston in a form-fitting manner.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben sich in der Praxis bislang nicht durchgesetzt, da sie mit hohen Fertigungskosten verbunden und/oder sie technisch zu aufwendig sind und/oder sie sich für den Serieneinsatz nicht bewährt haben.The solutions known from the prior art have so far not been accepted in practice because they are associated with high production costs and / or they are technically too complex and / or they have not proven themselves for use in series production.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen Hubkolbenmotor zur Verfügung zu stellen, die es auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht, das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs des Motors zu variieren.The invention is based on the object of providing a device for a reciprocating piston engine which makes it possible in a simple and inexpensive manner to vary the compression ratio during operation of the engine.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention with the features of claim 1.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor umfasst einen Kolbenbolzen mit einem ersten zylindrischen Abschnitt, einem zweiten zylindrischen Abschnitt und einem dritten zylindrischen Abschnitt. Der erste zylindrische Abschnitt und der dritte zylindrische Abschnitt sind koaxial zueinander angeordnet. A device according to the invention for achieving a variable compression ratio in a reciprocating piston engine comprises a piston pin with a first cylindrical section, a second cylindrical section and a third cylindrical section. The first cylindrical section and the third cylindrical section are arranged coaxially with one another.

Die Mittelachse des zweiten zylindrischen Abschnitts, welche zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt und dem dritten zylindrischen Abschnitt angeordnet ist, ist um einen Abstand e parallel zur gemeinsamen Mittelachse des ersten zylindrischen Abschnitts und des dritten zylindrischen Abschnitts verschoben und bildet somit einen Exzenter. Der Kolbenbolzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mindestens ein Fixiermittel auf, mittels welchem der Kolbenbolzen drehfest gegenüber dem Kolben des Hubkolbenmotors fixierbar ist. Das mindestens eine Fixiermittel umfasst mindestens ein Verriegelungselement, das derart in dem Kolbenbolzen gelagert ist, dass es zur Fixierung des Kolbenbolzens radial in eine Position verfahrbar ist, in welcher es aus dem ersten zylindrischen Abschnitt, dem zweiten zylindrischen Abschnitt und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt herausragt. In einer zweiten Position befindet sich das Verriegelungselement vorzugsweise innerhalb des ersten zylindrischen Abschnitts, des zweiten zylindrischen Abschnitts und/oder des dritten zylindrischen Abschnitts. Für die Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ist es daher lediglich erforderlich, in dem Kolbenbolzen ein einfaches Verriegelungselement zu integrieren.The center axis of the second cylindrical section, which is arranged between the first cylindrical section and the third cylindrical section, is shifted by a distance e parallel to the common center axis of the first cylindrical section and the third cylindrical section and thus forms an eccentric. The piston pin of the device according to the invention has at least one fixing means, by means of which the piston pin can be fixed in a rotationally fixed manner with respect to the piston of the reciprocating piston engine. The at least one fixing means comprises at least one locking element which is mounted in the piston pin in such a way that it is used to fix the piston pin can be moved radially into a position in which it protrudes from the first cylindrical section, the second cylindrical section and / or the third cylindrical section. In a second position, the locking element is preferably located within the first cylindrical section, the second cylindrical section and / or the third cylindrical section. In order to achieve a variable compression ratio, it is therefore only necessary to integrate a simple locking element in the piston pin.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen den Vorteil, dass der Kolbenbolzen selbst ein Fixiermittel umfasst. Dadurch sind zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses bekannte Kolben und Pleuel verwendbar. Die Funktionalität kann ausschließlich mit Hilfe eines modifizierten Kolbenbolzens erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein existierender Verbrennungsmotor mit festem Verdichtungsverhältnis in einen Verbrennungsmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis umgewandelt werden.The device according to the invention has the advantage over the solutions known from the prior art that the piston pin itself comprises a fixing means. As a result, known pistons and connecting rods can be used to achieve a variable compression ratio. The functionality can only be achieved with the help of a modified piston pin. With the device according to the invention, an existing internal combustion engine with a fixed compression ratio can be converted into an internal combustion engine with a variable compression ratio in a simple and inexpensive manner.

Sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich der Fixierung des Kolbenbolzens ist es vorteilhaft, dass das Verriegelungselement radial verfahrbar in dem Kolbenbolzen angeordnet ist.Both in terms of production engineering and with regard to the fixing of the piston pin, it is advantageous that the locking element is arranged in the piston pin such that it can be moved radially.

Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung so konstruiert, dass diese während des Betriebs schaltbar ist und abhängig vom Schaltzustand im oberen Totpunkt bei der Verdichtung zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse realisierbar sind. Bei aktivierten Fixiermitteln (Kolbenbolzen verriegelt) ist das Verdichtungsverhältnis konstant und vorzugsweise größtmöglich. Bei nicht verriegeltem und somit frei drehbarem Kolbenbolzen nimmt dieser dann bei a) Verdichtung und b) Ladungswechsel ab Erreichen einer ausreichenden Gaskraft im oberen Totpunkt unterschiedliche Positionen ein (gestreckte Lage bei Ladungswechsel; gestauchte Lage unter Gaskraft).A device according to the invention is preferably constructed in such a way that it can be switched during operation and, depending on the switching state at top dead center, two different compression ratios can be achieved during compression. When the fixing means are activated (piston pin locked), the compression ratio is constant and preferably as high as possible. If the piston pin is not locked and thus freely rotatable, it then assumes different positions during a) compression and b) gas exchange when sufficient gas force is reached at top dead center (stretched position during gas exchange; compressed position under gas force).

Als Verriegelungselement geeignet ist insbesondere ein zylindrischer Fixierstift, welcher in einer entsprechenden zylindrischen Bohrung geführt ist. Ebenfalls geeignet sind beispielsweise eine Kugel, die in eine Vertiefung greift oder eine Fixierung mittels Reibschluss.A cylindrical fixing pin, which is guided in a corresponding cylindrical bore, is particularly suitable as the locking element. Also suitable are, for example, a ball that engages in a recess or a fixation by means of frictional engagement.

Das Verriegelungselement kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell betätigbar sein.The locking element can be actuated electrically, hydraulically, pneumatically and / or manually.

Besonders einfach und kostengünstig ist eine hydraulische Betätigung eines Fixiermittels, insbesondere eines Verriegelungselements, wenn in dem Kolbenbolzen mindestens eine Ölbohrung vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Motoröldruck zusätzlich dazu als Regel- bzw. Stellgröße genutzt werden, um die Position des Verriegelungselements vorzugeben.Hydraulic actuation of a fixing means, in particular a locking element, is particularly simple and inexpensive if at least one oil bore is provided in the piston pin. In this case, the engine oil pressure can also be used as a control or manipulated variable in order to specify the position of the locking element.

Die Kraftübertragung zwischen dem in der Ölbohrung verwendeten Fluid und dem Verriegelungselement erfolgt vorzugsweise über eine senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Verriegelungselements angeordnete Druckfläche. In diesem Fall ist gewährleistet, dass der Öldruck und die aus diesem Öldruck resultierende Kraft ausschließlich in Verfahrrichtung des Verriegelungselements wirkt.The power transmission between the fluid used in the oil bore and the locking element is preferably carried out via a pressure surface arranged perpendicular to the direction of movement of the locking element. In this case, it is ensured that the oil pressure and the force resulting from this oil pressure act exclusively in the direction of travel of the locking element.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform umfassen die Fixiermittel eine Öffnung in einem sich an den Bolzen anschließenden Element, insbesondere in einem Pleuel, einem Kolben oder einem zwischen Pleuel bzw. Kolben und Kolbenbolzen angeordneten Element, um ein Verriegelungselement oder ein sonstiges Fixiermittel im verriegelten Zustand der Vorrichtung aufzunehmen. In diesem Fall kann die Fixierung des Kolbenbolzens durch eine besonders sichere und hohe Übertragungskräfte zulassende formschlüssige Verbindung erfolgen.In a further practical embodiment, the fixing means comprise an opening in an element adjoining the bolt, in particular in a connecting rod, a piston or an element arranged between the connecting rod or piston and piston pin, around a locking element or other fixing means in the locked state of the device to record. In this case, the piston pin can be fixed by means of a particularly secure, positive-locking connection that allows high transmission forces.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform umfassen die Fixiermittel ein mit dem Verriegelungselement in Verbindung stehendes elastisches Element, insbesondere eine Feder, welches eine permanente Kraft in eine Verschieberichtung auf das Verriegelungselement ausübt. Mithilfe eines derartigen elastischen Elements kann eine Vorzugsstellung eines Fixiermittels, insbesondere eines Verriegelungselements, festgelegt werden. Beispielsweise kann als elastisches Element eine Schraubenfeder derart in einer Führung eines Verriegelungselements angeordnet sein, dass das Verriegelungselement ohne Einwirkung weiterer Kräfte radial aus dem ersten zylindrischen Abschnitt, dem zweiten zylindrischen Abschnitt und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt hinausgedrückt wird. Erst wenn eine Betätigungskraft der Federkraft entgegenwirkt und diese übersteigt, lässt sich das Verriegelungselement aus der Vorzugsposition in eine zweite Position verfahren und ermöglicht dann eine Verdrehung des Kolbenbolzens in einem Pleuel eines Hubkolbenmotors.In a further practical embodiment, the fixing means comprise an elastic element which is connected to the locking element, in particular a spring, which exerts a permanent force in a displacement direction on the locking element. With the aid of such an elastic element, a preferred position of a fixing means, in particular a locking element, can be established. For example, a helical spring can be arranged as an elastic element in a guide of a locking element in such a way that the locking element is pushed radially out of the first cylindrical section, the second cylindrical section and / or the third cylindrical section without the action of further forces. Only when an actuating force counteracts the spring force and exceeds it, the locking element can be moved from the preferred position into a second position and then enables the piston pin to be rotated in a connecting rod of a reciprocating piston engine.

Die Erfindung betrifft auch einen Hubkolbenmotor mit einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention also relates to a reciprocating piston engine with a device according to the invention as described above.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,
  • 2 die in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergrößerten Darstellung in einer Draufsicht,
  • 3 die in den 2 und 3 gezeigte Ausführungsform in einer Ansicht gemäß dem Pfeil III in 2,
  • 4 die in 2 und 3 dargestellte Ausführungsform in einer Schnittdarstellung gemäß den Pfeilen IV in 2 sowie
  • 5 eine perspektivische Ansicht der in den 2 - 4 gezeigten Ausführungsform.
Further advantageous embodiments of the device according to the invention are described below in connection with the drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a reciprocating piston engine with an embodiment of a device according to the invention in a sectional view,
  • 2 in the 1 shown embodiment of a device according to the invention in an enlarged representation in a plan view,
  • 3 those in the 2 and 3 embodiment shown in a view according to arrow III in 2 ,
  • 4th in the 2 and 3 illustrated embodiment in a sectional view according to the arrows IV in 2 as
  • 5 a perspective view of the FIGS 2 - 4th embodiment shown.

1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Hubkolbenmotors 100 mit einer Kurbelwelle 102, einem auf der Kurbelwelle 102 drehbar gelagerten Pleuel 104, sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 106, welche das Pleuel 104 mit einem Kolben 108 verbindet. Wie insbesondere in den 2 - 5 gezeigt, umfasst die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere einen Kolbenbolzen 110 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 112, einem zweiten zylindrischen Abschnitt 114 und einem dritten zylindrischen Abschnitt 116. Der erste zylindrische Abschnitt 112 und der dritte zylindrische Abschnitt 116 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen daher eine gemeinsame Mittelachse 118 auf. Die Mittelachse 120 des zweiten zylindrischen Abschnitts 114 ist um einen Abstand e (Exzentrizität) parallel zur gemeinsamen Mittelachse 118 des ersten zylindrischen Abschnitts 112 und des dritten zylindrischen Abschnitts 116 verschoben, so dass der zweite zylindrische Abschnitt einen Exzenter bildet (vgl. 2). 1 shows a sectional view of a section of a reciprocating piston engine 100 with a crankshaft 102 , one on the crankshaft 102 rotatably mounted connecting rod 104 , and a device according to the invention 106 which is the connecting rod 104 with a piston 108 connects. As in particular in the 2 - 5 shown, the embodiment of the device according to the invention comprises in particular a piston pin 110 with a first cylindrical section 112 , a second cylindrical section 114 and a third cylindrical section 116 . The first cylindrical section 112 and the third cylindrical portion 116 are arranged coaxially to one another and therefore have a common central axis 118 on. The central axis 120 of the second cylindrical section 114 is parallel to the common central axis by a distance e (eccentricity) 118 of the first cylindrical section 112 and the third cylindrical portion 116 shifted so that the second cylindrical section forms an eccentric (cf. 2 ).

In der in den 1 - 5 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 106 ist als Fixiermittel 122 ein Verriegelungselement 124 vorgesehen, das als zylindrischer Fixierstift 126 ausgebildet ist. Das Verriegelungselement 126 ist in einem Sackloch 128 linear verfahrbar gelagert. Es kann die in den 4a und 4b gezeigten Positionen einnehmen.In the in the 1 - 5 shown embodiment of the device according to the invention 106 is used as a fixative 122 a locking element 124 provided as a cylindrical locating pin 126 is trained. The locking element 126 is in a blind hole 128 linearly movable. It can be in the 4a and 4b position shown.

Zwischen dem Boden 130 des Sacklochs 128 und dem zylindrischen Fixierstift 126 ist eine Feder 132 angeordnet, welche den Fixierstift 126 in die Richtung des Pfeils 134 drückt. Die in 4a gezeigte ausgefahrene Stellung des Fixierstiftes ist daher die Stellung, welche der Fixierstift einnimmt, wenn keine sonstigen Kräfte auf den Fixierstift wirken. Diese Position kann der Fixierstift 126 allerdings in der gezeigten Ausführungsform nur einnehmen, wenn der Kolbenbolzen 106 relativ zu dem Kolben 108 derart angeordnet ist, dass der aus dem dritten zylindrischen Abschnitt 116 herausragende Teil des Fixierstifts 126 in eine nicht dargestellte Öffnung einer zwischen dem dritten zylindrischen Abschnitt 116 des Kolbenbolzens 110 und dem Kolben 108 angeordneten ringförmigen Buchse 136, die drehfest mit dem Kolben verbunden ist, eingreifen kann. Dies ist in der gezeigten Ausführungsform nur bei einer bestimmten relativen Anordnung von Kolbenbolzen 106 und Kolben 108 zueinander möglich, was nachfolgend im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch näher erläutert wird.Between the ground 130 of the blind hole 128 and the cylindrical locating pin 126 is a feather 132 arranged which the locating pin 126 in the direction of the arrow 134 presses. In the 4a The shown extended position of the fixing pin is therefore the position which the fixing pin assumes when no other forces act on the fixing pin. This position can be used by the locating pin 126 however, in the embodiment shown only occupy when the piston pin 106 relative to the piston 108 is arranged such that from the third cylindrical portion 116 protruding part of the locating pin 126 into an opening, not shown, between the third cylindrical section 116 of the piston pin 110 and the piston 108 arranged annular socket 136 , which is rotatably connected to the piston, can intervene. In the embodiment shown, this is only the case with a certain relative arrangement of piston pins 106 and piston 108 to each other possible, which is explained in more detail below in connection with the functional description of the device according to the invention.

Wie in 1 zu erkennen ist, ist zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt 112 des Kolbenbolzens 106 und dem Kolben 108 ebenfalls eine ringförmige Buchse 138 angeordnet. Diese dient der kolbenseitigen Lagerung des Kolbenbolzens. Es versteht sich, dass statt der Buchsen 136 auch andere Lagerungsmöglichkeiten realisierbar sind. Insbesondere können an dem Kolben 108 selbst Gleitlager ausgebildet sein. Die Verwendung von Buchsen 136, 138 hat jedoch den Vorteil, dass existierende Kolben auch nachträglich durch spanende Bearbeitung zur Aufnahme von Buchsen 136, 138 ausgebildet werden können. Existierende Motoren mit festem Verdichtungsverhältnis können so auf einfache Art und Weise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet werden, was eine Variation des Vedichtungsverhältnisses ermöglicht. Die Buchsen 136, 138 dienen in diesem Fall als Adaptionselemente.As in 1 can be seen is between the first cylindrical section 112 of the piston pin 106 and the piston 108 also an annular socket 138 arranged. This serves to support the piston pin on the piston side. It goes without saying that instead of the sockets 136 other storage options are also feasible. In particular, on the piston 108 be designed even plain bearings. The use of sockets 136 , 138 has the advantage, however, that existing pistons can also be subsequently machined to accommodate bushings 136 , 138 can be trained. Existing engines with a fixed compression ratio can thus be equipped in a simple manner with a device according to the invention, which enables the compression ratio to be varied. The sockets 136 , 138 in this case serve as adaptation elements.

Wie in den 4a und 4b gezeigt, sind in dem Kolbenbolzen Sacklochbohrungen 140, 142 vorgesehen, die eine fluidale Verbindung von Pleuel 104 zu einem mittleren, sich in dem Sackloch 128 befindlichen Raum 144 ermöglichen. Durch ein im Sackloch 142 angeordnetes Dichtungselement 146 werden hohe Volumenströme und somit eine permanente Durchströmung des Raums 144 und damit verbundene potentielle Druckschwankungen vermieden. Der in dem Raum 144 anliegende Druck entspricht daher im Wesentlichen dem anliegenden Fluiddruck. Das Verriegelungselement 124 weist mindestens eine senkrecht zur Verschiebungsrichtung angeordnete Druckfläche 148 auf, die in der gezeigten Ausführungsform kreisringförmig ausgebildet ist.As in the 4a and 4b shown are blind bores in the piston pin 140 , 142 provided that a fluid connection of connecting rods 104 to a middle one, located in the blind hole 128 located room 144 enable. Through one in the blind hole 142 arranged sealing element 146 there are high volume flows and thus a permanent flow through the room 144 and the associated potential pressure fluctuations are avoided. The one in the room 144 applied pressure therefore corresponds essentially to the applied fluid pressure. The locking element 124 has at least one pressure surface arranged perpendicular to the direction of displacement 148 on, which is circular in the embodiment shown.

Die in den 1 bis 5 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung funktioniert wie folgt:

  • Im ausgeschalteten Zustand des Motors befindet sich das Verriegelungselement in der in 4a gezeigten, verriegelten Position. Es greift dann in eine nicht dargestellte Öffnung der Buchse 136 ein, die eine im Wesentlichen spielfreie Fixierung des Kolbenbolzens 106 gegenüber dem Kolben 108 bewirkt. Nach dem Anlassen des Motors wird Öl mit einem ersten Druck p1 vom Pleuel 104 durch die Bohrungen 140, 142 in den Raum 144 gefördert, wobei der erste Druck p1 so gewählt ist, dass die resultierende Kraft FD auf die Druckfläche 148 kleiner ist als die in die entgegengesetzte Richtung gemäß Pfeil 134 wirkende Kraft FF der Feder 132. In diesem Zustand ist das Verdichtungsverhältnis ε des Verbrennungsmotors 100 konstant (als ε1 bezeichnet), da sich die wirksame Pleuellänge nicht verändert. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Verriegelung des Kolbenbolzens 106 in der gestreckten Lage, d.h. die wirksame Pleuellänge ist groß.
The ones in the 1 to 5 The embodiment of the device according to the invention shown works as follows:
  • When the motor is switched off, the locking element is in the in 4a locked position shown. It then engages in an opening (not shown) in the socket 136 one that essentially fixes the piston pin without play 106 opposite the piston 108 causes. After starting the engine, oil is released from the connecting rod at a first pressure p 1 104 through the holes 140 , 142 in the room 144 promoted, wherein the first pressure p 1 is chosen so that the resulting force F D on the pressure surface 148 is smaller than that in the opposite direction according to the arrow 134 acting force F F of the spring 132 . In this state, the compression ratio is ε of the internal combustion engine 100 constant (referred to as ε 1 ), since the effective connecting rod length does not change. In the embodiment shown, the piston pin is locked 106 in the extended position, ie the effective connecting rod length is large.

Mit Hilfe eines Regel- oder Steuerelements kann bei Eintreten eines bestimmten Ereignisses, beispielsweise ab einer Motorlast von mindestens 80%, ein zweiter Druck p2 vom Pleuel 104 über die Bohrungen 140, 142 im Raum 144 eingestellt werden. Hierzu kann insbesondere ein Druckregler eingesetzt werden. Es versteht sich, dass anstelle der angegebenen Motorlast auch andere Motorlasten oder andere Parameter als Stellgrößen für die Umschaltung zwischen p1 und p2 wählbar sind. Beispielsweise kann die Umschaltung in Abhängigkeit der Stellung oder der Beschleunigung des Gaspedals oder in Abhängigkeit der Stellung eines manuell zu betätigenden Schalters erfolgen.With the help of a regulating or control element, when a certain event occurs, for example from an engine load of at least 80%, a second pressure p 2 from the connecting rod 104 about the holes 140 , 142 in the room 144 can be set. A pressure regulator, in particular, can be used for this purpose. It goes without saying that instead of the specified engine load, other engine loads or other parameters can also be selected as manipulated variables for switching between p 1 and p 2 . For example, the switchover can take place as a function of the position or the acceleration of the gas pedal or as a function of the position of a manually operated switch.

Der Druck p2 ist so gewählt, dass die resultierende Kraft FD auf die Druckfläche 148 größer ist als die entgegenwirkende Kraft FF der Feder 132 gemäß Pfeil 134. In dieser Stellung kann sich der Kolbenbolzen 106 relativ zum Kolben 108 und zu den Buchsen 136, 138 verdrehen. Dies wiederum führt dazu, dass sich in Abhängigkeit des aktuellen Takts eines Arbeitsspiels unterschiedliche wirksame Pleuellängen und somit unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε1 bzw. ε2 einstellen. Bei frei drehbarem Kolbenbolzen 106 können sich daher innerhalb eines Arbeitsspiels beide Verdichtungsverhältnisse einstellen, wenn die Gaskraft in der Expansionsphase ausreichend groß ist, um den Kolbenbolzen 106 in die gestauchte Lage zu versetzen. In diesem Fall ist die wirksame Pleuellänge beim Ladungswechsel groß (gestreckte Lage des Kolbenbolzens 106) und unter Gaskraft in der Expansionsphase klein (gestauchte Lage des Kolbenbolzens 106). Der Kolbenbolzen wird daher bei entriegeltem Kolbenbolzen 106 ab einer bestimmten Motorlast aufgrund der Gaskraft immer in die gestauchte Lage gedreht, woraus ein geringeres Verdichtungsverhältnis resultiert.The pressure p 2 is chosen so that the resulting force F D on the pressure surface 148 is greater than the counteracting force F F of the spring 132 according to arrow 134 . The piston pin can move in this position 106 relative to the piston 108 and to the jacks 136 , 138 twist. This in turn means that depending on the current cycle of a work cycle, different effective connecting rod lengths and thus different compression ratios ε 1 and ε 2 are set. With a freely rotatable piston pin 106 Both compression ratios can therefore be set within one working cycle if the gas force in the expansion phase is sufficiently large to control the piston pin 106 to put in the compressed position. In this case, the effective connecting rod length is large during the gas exchange (extended position of the piston pin 106 ) and under gas force in the expansion phase small (compressed position of the piston pin 106 ). The piston pin is therefore when the piston pin is unlocked 106 From a certain engine load onwards, it is always rotated into the compressed position due to the gas force, which results in a lower compression ratio.

Wie in den 4a und 4b zu sehen ist, kann in das Sackloch 128 ein Ring 150 fest eingesetzt sein, der in der in 4a gezeigten Position des Verriegelungselements 124 als Anschlag für einen an dem Verriegelungselement 124 ausgebildeten ringförmigen Absatz 152 dient und somit die Vorzugsstellung festlegt.As in the 4a and 4b can be seen in the blind hole 128 a ring 150 firmly inserted in the in 4a shown position of the locking element 124 as a stop for one on the locking element 124 formed annular paragraph 152 serves and thus determines the preferred position.

Auch wenn in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Fixierung nur kolbenseitig beschrieben ist, sei an dieser Stelle noch einmal betont, dass die Fixierung des Kolbenbolzens auch pleuelseitig erfolgen kann. Dazu kann beispielsweise ein Verriegelungselement in dem zweiten Abschnitt 114 des Kolbenbolzens 106 angeordnet und eine Öffnung zur Aufnahme des Verriegelungselements in dem Pleuel vorgesehen sein.Even if the fixation is only described on the piston side in the exemplary embodiment described above, it should be emphasized again at this point that the piston pin can also be fixed on the connecting rod side. For this purpose, for example, a locking element in the second section 114 of the piston pin 106 arranged and an opening for receiving the locking element can be provided in the connecting rod.

Darüber hinaus kann die Verriegelung auch kraftschlüssig erfolgen. Beispielsweise könnte ein Bremselement mit hohem Reibwert radial derart nach außen verfahren werden, dass eine Verdrehung des Kolbenbolzens wirksam verhindert wird. Eine kraftschlüssige Fixierung des Kolbenbolzens hat den Vorteil, dass weder das Pleuel noch der Kolben bearbeitet werden müssten, um einen Motor mit festem Verdichtungsverhältnis in einen Motor mit erfindungsgemäßer Vorrichtung umzuwandeln.In addition, the locking can also take place in a non-positive manner. For example, a braking element with a high coefficient of friction could be moved radially outward in such a way that rotation of the piston pin is effectively prevented. A force-fit fixing of the piston pin has the advantage that neither the connecting rod nor the piston would have to be machined in order to convert an engine with a fixed compression ratio into an engine with a device according to the invention.

Zur Verriegelung können auch mehrere Verriegelungselemente 124 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in dem ersten Abschnitt 112 und dem dritten Abschnitt 116 oder in allen Abschnitten 112, 114, 116.Several locking elements can also be used for locking 124 be provided in the device according to the invention, for example in the first section 112 and the third section 116 or in all sections 112 , 114 , 116 .

Es ist auch nicht zwingend erforderlich, die Verriegelung des Kolbenbolzens 106 in der gestreckten Lage vorzusehen. Die Verriegelung kann auch in einer beliebigen anderen Position des Kolbenbolzens 106 erfolgen. Bei Verriegelung in der gestreckten Lage ist die erzielbare Differenz zwischen dem kleinsten und größten Verdichtungsverhältnis besonders groß, da die wirksame Pleuellänge in diesem Fall um das Doppelte der Exzentrizität e variierbar ist.It is also not absolutely necessary to lock the piston pin 106 to be provided in the extended position. The lock can also be in any other position of the piston pin 106 respectively. When locking in the extended position, the achievable difference between the smallest and largest compression ratio is particularly large, since the effective connecting rod length in this case can be varied by twice the eccentricity e.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
HubkolbenmotorReciprocating engine
102102
Kurbelwellecrankshaft
104104
PleuelConnecting rod
106106
erfindungsgemäße Vorrichtungdevice according to the invention
108108
Kolbenpiston
110110
KolbenbolzenPiston pin
112112
erster zylindrischer Abschnittfirst cylindrical section
114114
zweiter zylindrischer Abschnittsecond cylindrical section
116116
dritter zylindrischer Abschnittthird cylindrical section
118118
MittelachseCentral axis
120120
MittelachseCentral axis
122122
Fixiermittelfixer
124124
VerriegelungselementLocking element
126126
FixierstiftFixing pin
128128
SacklochBlind hole
130130
Bodenground
132132
Federfeather
134134
Pfeilarrow
136136
BuchseRifle
138138
BuchseRifle
140140
SacklochbohrungBlind hole
142142
SacklochbohrungBlind hole
144144
Raumroom
146146
DichtungselementSealing element
148148
DruckflächePrinting area
150150
Ringring
152152
ringförmiger Absatzannular heel

Claims (8)

Vorrichtung zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor (100) umfassend einen Kolbenbolzen (110) mit einem ersten zylindrischen Abschnitt (112), einem zweiten zylindrischen Abschnitt (114) und einem dritten zylindrischen Abschnitt (116), wobei der erste zylindrische Abschnitt (112) und der dritte zylindrische Abschnitt (116) koaxial zueinander angeordnet sind und der zweite zylindrische Abschnitt (114) zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt (112) und dem dritten zylindrischen Abschnitt (116) angeordnet ist, wobei die Mittelachse des zweiten zylindrischen Abschnitts (114) um einen Abstand e parallel zur gemeinsamen Mittelachse (118) des ersten zylindrischen Abschnitts (112) und des dritten zylindrischen Abschnitts (116) verschoben ist und somit einen Exzenter bildet, und wobei der Kolbenbolzen (110) mindestens ein Fixiermittel (122) aufweist, mittels welchem der Kolbenbolzen drehfest gegenüber dem Kolben (108) des Hubkolbenmotors (100) fixierbar ist dadurch gekennzeichnet, dass als Fixiermittel (122) mindestens ein Verriegelungselement (124) vorgesehen ist, das derart in dem Kolbenbolzen (110) gelagert ist, dass es zur Fixierung des Kolbenbolzens (110) radial in eine Position verfahrbar ist, in welcher es aus dem ersten zylindrischen Abschnitt (112), dem zweiten zylindrischen Abschnitt (114) und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt (116) herausragt.Device for achieving a variable compression ratio in a reciprocating piston engine (100) comprising a piston pin (110) with a first cylindrical section (112), a second cylindrical section (114) and a third cylindrical section (116), the first cylindrical section (112 ) and the third cylindrical section (116) are arranged coaxially to one another and the second cylindrical section (114) is arranged between the first cylindrical section (112) and the third cylindrical section (116), the central axis of the second cylindrical section (114) is displaced by a distance e parallel to the common central axis (118) of the first cylindrical section (112) and the third cylindrical section (116) and thus forms an eccentric, and wherein the piston pin (110) has at least one fixing means (122), by means of which the piston pin can be fixed in a rotationally fixed manner with respect to the piston (108) of the reciprocating piston engine (100) is characterized in that at least one locking element (124) is provided as the fixing means (122), which is mounted in the piston pin (110) in such a way that it can be moved radially into a position in which it is from, in order to fix the piston pin (110) the first cylindrical section (112), the second cylindrical section (114) and / or the third cylindrical section (116) protrudes. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (124) ein zylindrischer Fixierstift (126) ist.Device according to Claim 1 , characterized in that the locking element (124) is a cylindrical fixing pin (126). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (124) elektrisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell betätigbar ist.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the locking element (124) can be actuated electrically, hydraulically, pneumatically and / or manually. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenbolzen (110) mindestens eine Kanalbohrung (140, 142) zur hydraulischen Betätigung eines Fixiermittels (122) vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one channel bore (140, 142) for the hydraulic actuation of a fixing means (122) is provided in the piston pin (110). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verriegelungselement (124) eine senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung angeordnete Druckfläche (148) ausgebildet ist.Device according to Claim 4 , characterized in that a pressure surface (148) arranged perpendicular to its direction of movement is formed on the locking element (124). Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (122) eine Öffnung in einem sich an den Kolbenbolzen (110) anschließenden Element umfassen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fixing means (122) comprise an opening in an element adjoining the piston pin (110). Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (122) ein mit dem Verriegelungselement (124) in Verbindung stehendes elastisches Element umfassen, welches eine permanente Kraft in eine Verschieberichtung auf das Verriegelungselement (124) ausübt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fixing means (122) comprise an elastic element which is connected to the locking element (124) and which exerts a permanent force in a displacement direction on the locking element (124). Hubkolbenmotor, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Reciprocating engine, comprising a device according to one of the Claims 1 to 7th .
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