DE102011116952A1

DE102011116952A1 - Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben eines Mehrgelenkskurbeltriebs

Info

Publication number: DE102011116952A1
Application number: DE102011116952A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brendel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: WO2013060433A1; DE102011116952B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrgelenkskurbeltrieb (8) einer Brennkraftmaschine (1), mit einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle (2) gelagerten Koppelgliedern (9) und einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen (17) einer Exzenterwelle (6) gelagerten Anlenkpleueln (13), wobei jedes der Koppelglieder (9) schwenkbar mit einem Kolbenpleuel (4) eines Kolbens (3) der Brennkraftmaschine (1) und einem der Anlenkpleuel (13) verbunden und die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle (6) mittels einer Stellvorrichtung (22) innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs einstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle (6) mittels einer Sperrvorrichtung (29) in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festsetzbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrgelenkskurbeltriebs (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Koppelgliedern und einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Exzenterwelle gelagerten Anlenkpleueln, wobei jedes der Koppelglieder schwenkbar mit einem Kolbenpleuel eines Kolbens der Brennkraftmaschine und einem der Anlenkpleuel verbunden und die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle mittels einer Stellvorrichtung innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs einstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrgelenkskurbeltriebs.
Mehrgelenkskurbeltriebe der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie sind üblicherweise Bestandteil der Brennkraftmaschine, können jedoch auch in anderen Bereichen Anwendung finden. Der Mehrgelenkskurbeltrieb umfasst die Exzenterwelle, deren Drehwinkel mittels einer Stelleinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, verstellt werden kann. Der Mehrgelenkskurbeltrieb verfügt über eine der Anzahl der Kolben der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von Koppelgliedern, die jeweils drehbar auf dem entsprechenden Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert sind und zwei nach entgegengesetzten Seiten über die Kurbelwelle überstehende, an ihrem Ende jeweils mit einem Schwenkgelenk versehene Arme aufweisen. Eines der Schwenkgelenke dient zur schwenkbaren Verbindung mit dem Kolbenpleuel, der einen der Kolben der Brennkraftmaschine über das Koppelglied mit der Kurbelwelle verbindet. Ein anderes der Schwenkgelenke dient zur schwenkbaren Verbindung mit dem so genannten Anlenkpleuel, welcher mit seinem anderen Ende drehbar auf dem Hubzapfen der Exzenterwelle gelagert ist.
Mittels des Mehrgelenkskurbeltriebs kann das in dem dem Kolben jeweils zugeordneten Zylinder erreichte Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und/oder dem Arbeitstakt. Zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Exzenterwelle in eine bestimmte, dem gewünschten Verdichtungsverhältnis entsprechende Drehwinkelstellung gebracht. Zu diesem Zweck ist die Stellvorrichtung vorgesehen, mittels welcher die Exzenterwelle innerhalb des bestimmten Drehwinkelbereichs auf eine beliebige Drehwinkelstellung einstellbar ist. Dieses Einstellen erfolgt üblicherweise gesteuert und/oder geregelt. Unter dem geregelten Einstellen ist dabei zu verstehen, dass der Stellvorrichtung zunächst die gewünschte Drehwinkelstellung vorgegeben und angefahren wird. Anschließend wird die tatsächlich vorliegende Drehwinkelstellung der Exzenterwelle überprüft. Bei einer Abweichung wird der Stellvorrichtung eine um die Abweichung korrigierte Drehwinkelstellung vorgegeben. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die tatsächliche Drehwinkelstellung der Exzenterwelle mit der gewünschten Drehwinkelstellung übereinstimmt.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die EP 2 022 959 A2 bekannt, welche einen Mehrgelenkskurbeltrieb zeigt, bei welcher die Stellvorrichtung zur Drehwinkelverstellung der Exzenterwelle eine Hebelanordnung umfasst, über welche ein Drehmoment zum Einstellen der gewünschten Drehwinkelstellung auf die Exzenterwelle aufgebracht wird. Bedingt durch die Vielzahl der vorgesehenen Hebel der Hebelanordnung ist die Stellvorrichtung jedoch wartungsintensiv. Zudem kann bei einem geregelten Einstellen der Drehwinkelstellung ein Schwingen um die gewünschte Drehwinkelstellung herum auftreten. Auch ist zum Halten der eingestellten Drehwinkelstellung die permanente Zufuhr von Energie, auch als Hilfsenergie bezeichnet, notwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welcher die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist, sondern insbesondere ein schnelles Einstellen der Exzenterwelle auf die gewünschte Drehwinkelstellung ermöglicht. Auch soll ein hilfsenergieloses Halten der eingestellten Drehwinkelstellung – also ohne Zufuhr von Energie – möglich sein, sodass ausschließlich während des Einstellens beziehungsweise einer Änderung der Drehwinkelstellung Energie benötigt. wird. Zudem soll der Mehrgelenkskurbeltrieb möglichst verschleißarm und daher im Wesentlichen wartungsfrei arbeiten.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Mehrgelenkskurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle mittels einer Sperrvorrichtung in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festsetzbar ist. Das Vorsehen der Sperrvorrichtung ist insbesondere bei dem eingangs beschriebenen geregelten Einstellen der gewünschten Drehwinkelstellung sinnvoll. Bei dieser kann es bei dem Einstellen zu einem Überschwingen kommen, bei welchem die gewünschte Drehwinkelstellung von unten kommend überschritten oder von oben kommend unterschritten wird, was ein Nachführen der Drehwinkelstellung notwendig macht. Daraus resultiert ein langsames Einschwingen der tatsächlich vorliegenden Drehwinkelstellung in Richtung der gewünschten Drehwinkelstellung, also ein lediglich langsames Angleichen an die gewünschte Drehwinkelstellung. Mit Hilfe der Sperrvorrichtung kann das Erreichen der gewünschten Drehwinkelstellung durch die tatsächlich vorliegende Drehwinkelstellung deutlich beschleunigt werden. Zu diesem Zweck wird wenigstens eine bestimmte Drehwinkelstellung als Drehwinkelsperrstellung festgelegt. In dieser ist die Exzenterwelle mittels der Sperrvorrichtung festsetzbar. Beim Einstellen der gewünschten Drehwinkelstellung wird nun bei Erreichen der Drehwinkelsperrstellung die Exzenterwelle mit Hilfe der Sperrvorrichtung festgesetzt, sodass sie sich nicht weiter drehen kann. Auf diese Weise wird das Einschwingen verhindert und damit die benötigte Zeit bis zu Erreichen der gewünschten Drehwinkelstellung deutlich verringert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sperrvorrichtung eine Rasteinrichtung mit einem Rastelement und einem Rastgegenelement aufweist, wobei das Rastgegenelement über einen mit der wenigstens einen Drehwinkelsperrstellung korrespondierenden Rasteingriff verfügt. Die Rasteinrichtung ist dabei derart ausgelegt, dass sie bei Erreichen der gewünschten Drehwinkelsperrstellung durch die momentane Drehwinkelstellung der Exzenterwelle die Rastverbindung zwischen dem Rastelement und dem Rastgegenelement herstellt und somit die Exzenterwelle in der Drehwinkelsperrstellung hält. Um die Exzenterwelle festzusetzen verfügt das Rastgegenelement über den Rasteingriff, welcher mit dem Rastelement rastend zusammenwirkt, wenn die Exzenterwelle in der Drehwinkelsperrstellung vorliegt. Selbstverständlich können mehrere Drehwinkelsperrstellungen und entsprechend mehrere Rasteingriffe an dem Rastgegenelement vorgesehen sein. Beispielsweise sind zwei bis zehn Drehwinkelsperrstellungen, insbesondere acht Drehwinkelsperrstellungen, definiert. Das Rastgegenelement verfügt demnach über eine entsprechende Anzahl an Rasteingriffen. Das Rastgegenelement ist beispielsweise eine Rastscheibe, an deren Außenumfang der wenigstens eine Rasteingriff als Vertiefung vorliegt.
Das Rastelement kann nun in radialer Richtung bezüglich des Rastgegenelements und dessen zentrale Achse verlagert werden, sodass es beabstandet zu dem Rastgegenelement vorliegt oder in den wenigstens einen Rasteingriff eingreift. Beispielsweise ist das Rastelement mittels eines Federelements federkraftbeaufschlagt, wobei die Federkraft das Rastelement in Richtung des Rastgegenelements drängt. Das Rastelement kann insbesondere in einer Freigabestellung vorliegen, in welcher es stets mit dem Rastgegenelement beziehungsweise dessen Rasteingriffen außer Eingriff steht. Bei entsprechender Ansteuerung gelangt das Rastelement in eine Raststellung. In dieser wird das Rastelement derart in Richtung des Rastgegenelements gedrängt, dass es entweder – bei entsprechender, mit der Drehwinkelsperrstellung übereinstimmenden Drehwinkelstellung der Exzenterwelle – unmittelbar in den Rasteingriff eingreift oder zumindest bei Erreichen des mit dem Rasteingriff korrespondierenden Rasteingriffs rastend mit diesem zusammenwirkt, um die Exzenterwelle in einer der Drehwinkelsperrstellung entsprechenden Drehwinkelstellung festzusetzen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stellvorrichtung ein Getriebe mit einem auf der Exzenterwelle drehfest angeordneten Abtriebsrad umfasst. Es ist also vorgesehen, die Exzenterwelle unmittelbar mittels des Abtriebsrads auf die gewünschte Drehwinkelstellung einzustellen, wobei das Abtriebsrad Bestandteil des Getriebes ist. Das Abtriebsrad wird beispielsweise von einer der Stellvorrichtung zugeordneten Antriebseinrichtung angetrieben. Vorzugsweise ermöglicht die Stellvorrichtung das Einstellen innerhalb eines Drehwinkelbereichs von maximal 270°, insbesondere maximal 180°. Es können jedoch auch kleinere Drehwinkelbereiche von beispielsweise maximal 90° realisiert sein. Mit Hilfe des Abtriebsrads ist ein schnelleres und genaueres Einstellen der Drehwinkelstellung möglich als mit aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen. Auch ist eine geringere Teileanzahl notwendig, insbesondere entfallen die eingangs beschriebenen Hebel der Hebelanordnung. Somit ist der während des Betriebs des Mehrgelenkskurbeltriebs auftretende Verschleiß reduziert und entsprechend ein wartungsarmer Betrieb möglich.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, dass auch allein mittels des Abtriebsrad, welches drehfest auf der Exzenterwelle angeordnet ist, der erfindungsgemäße Vorteil, nämlich die beschleunigte Einstellung der gewünschten Drehwinkelstellung der Exzenterwelle und ein verschleiß- und wartungsarmer Betrieb des Mehrgelenkskurbeltriebs erzielt werden kann. Insoweit ist die Erfindung auch auf einen Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine gerichtet, welche die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist und durch das hier beschriebene Abtriebsrad gekennzeichnet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein mit dem Abtriebsrad wirkverbundenes Antriebselement des Getriebes mittels einer Antriebseinrichtung antreibbar ist. Das Abtriebsrad wird also mittels des Antriebselements angetrieben, sodass ein Drehmoment zur Drehwinkelverstellung der Exzenterwelle auf dieses aufgebracht wird. Zu diesem Zweck ist das Antriebselement mittelbar oder unmittelbar mit der Antriebseinrichtung wirkverbunden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Getriebe ein Schneckengetriebe ist, wobei das Abtriebsrad als Schneckenrad vorliegt und eine mit dem Schneckenrad wirkverbundene Schnecke das Antriebselement bildet. Das Schneckengetriebe ist ein Schraubwälzgetriebe und besteht aus dem Schneckenrad und der Schnecke. Das Schneckenrad ist insbesondere als Zahnrad ausgebildet, welches in die üblicherweise schraubenförmig ausgestaltete Schnecke eingreift. Die Schnecke ist beispielsweise Bestandteil einer Welle, welche zu diesem Zweck mit wenigstens einem Schraubengang versehen ist, oder alternativ drehfest mit einer Welle verbunden. Das Schneckenrad stellt nun das Abtriebsrad dar, welches mit der Exzenterwelle drehfest verbunden ist. Das Antriebselement dagegen wird von der Schnecke gebildet. Letztere ist mittels der Antriebseinrichtung antreibbar. Das Schneckengetriebe ist vorzugsweise ohne Selbsthemmung ausgelegt, beispielsweise mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 7 bis 10.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebseinrichtung über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Antriebselement wirkverbunden ist. Zwischen der Antriebseinrichtung und dem Antriebselement des Getriebes ist demnach ein weiteres Getriebe, nämlich das Untersetzungsgetriebe, vorgesehen. Dieses dient der Reduzierung der Drehzahl, sodass die Antriebseinrichtung selbst, beispielsweise ein Elektromotor, eine höhere Drehzahl aufweist als das Antriebselement. Auf diese Weise kann eine Antriebseinrichtung verwendet werden, welche lediglich geringen Bauraum in Anspruch nimmt und bei hoher Drehzahl, jedoch mit geringem Drehmoment, arbeitet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Untersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe ist. Das Planetengetriebe umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenträger mit wenigstens einem das Sonnenrad und das Hohlrad wirkverbindenden Planetenrad. Üblicherweise sind mehrere, beispielsweise drei, Planetenräder über den Umfang des Planetengetriebes gleichmäßig verteilt zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet. Jedem der Elemente Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger kann eine Eingangswelle oder Ausgangswelle des Planetengetriebes zugeordnet sein. Die Eingangswelle ist dabei an die Antriebseinrichtung und die Ausgangswelle an das Antriebselement drehmomentübertragend angeschlossen. Das Element des Planetengetriebes, welches nicht entweder unmittelbar mit der Eingangswelle oder der Ausgangswelle wirkverbunden ist, ist üblicherweise festgesetzt, um eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen. Beispielsweise ist das Hohlrad unmittelbar mit der Antriebswelle und das Sonnenrad unmittelbar mit der Abtriebswelle wirkverbunden, während der Planetenträger ortsfest gehalten ist, beispielsweise durch eine Befestigung an einem Gehäuse des Untersetzungsgetriebes.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sperrvorrichtung einer die Schnecke des Schneckengetriebes drehfest aufnehmenden Antriebswelle zugeordnet ist. Die Rasteinrichtung dient insoweit dem Festsetzen der Antriebswelle, auf welcher auch die Schnecke des Schneckengetriebes vorgesehen beziehungsweise drehfest angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrgelenkskurbeltriebs einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Mehrgelenkskurbeltriebs gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei der Mehrgelenkskurbeltrieb eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagerte Koppelglieder und eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Exzenterwelle gelagerten Anlenkpleueln aufweist, wobei jedes der Koppelglieder schwenkbar mit einem Kolbenpleuel eines Kolbens der Brennkraftmaschine und einem der Anlenkpleuel verbunden ist und die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle mittels einer Stellvorrichtung innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs eingestellt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle mittels einer Sperrvorrichtung in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festgesetzt werden kann beziehungsweise bei Erreichen der wenigstens einen Drehwinkelstellung festgesetzt wird. Der Mehrgelenkskurbeltrieb kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass ein auf die Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine gerichtetes Verstellen der Drehwinkelstellung zumindest teilweise durchgeführt wird, während eine auf einen der Kolbenpleuel wirkende Kraft auf der Exzenterwelle ein unterstützendes Drehmoment erzeugt. Auf den Kolben wirken Gaskräfte, welche durch die Verbrennung innerhalb eines dem Kolben zugeordneten Zylinders der Brennkraftmaschine verursacht werden. Durch die Gaskräfte wird eine Drehbewegung des Koppelglieds um eine Drehachse der Kurbelwelle bewirkt. Weil in zumindest einigen Drehwinkelstellungen der Exzenterwelle der mit den Gaskräften beaufschlagte Anlenkpleuel exzentrisch an der Exzenterwelle angreift, wird ein auf diese wirkendes Drehmoment erzeugt. Der Mehrgelenkskurbeltrieb ist nun derart ausgelegt, dass die Gaskräfte über den Anlenkpleuel insbesondere bei hohen Verdichtungsverhältnissen der Brennkraftmaschine das Drehmoment derart erzeugen, dass ein auf die Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine gerichtetes Verstellen der Drehwinkelstellung der Exzenterwelle zumindest teilweise unterstützt wird. Insoweit ist insbesondere auch vorgesehen, das Verstellen zumindest teilweise durchzuführen, während die auf den Kolbenpleuel wirkende Kraft das unterstützende Drehmoment erzeugt. Somit können in zumindest einer Drehrichtung der Exzenterwelle sehr kurze Verstellzeiten erreicht werden. In die entgegengesetzte Drehrichtung muss dagegen das Drehmoment durch die Antriebseinrichtung überwunden werden, was längere Stellzeiten zur Folge hat. Diese sind jedoch bei einem Vergrößern des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine unproblematisch.
Zusätzlich kann dem Mehrgelenkskurbeltrieb auch ein Federelement, insbesondere eine Torsionsfeder, zugeordnet sein, welches durch das unterstützende Drehmoment gespannt wird. Bei einem Verstellen in die entgegengesetzte Richtung, also üblicherweise in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses, kann die in dem Federelement gespeicherte Energie genutzt werden, um das Einstellen der gewünschten Drehwinkelstellung der Exzenterwelle zu beschleunigen.
Die Erfindung ist zusätzlich auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Mehrgelenkskurbeltrieb gerichtet, welcher gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Brennkraftmaschine,
2 eine Ansicht einer Stellvorrichtung zur Einstellung einer Drehwinkelstellung einer Exzenterwelle,
3 eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung, und
4 eine schematische Darstellung eines Bereichs der aus der 1 bekannten Brennkraftmaschine.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Brennkraftmaschine 1, welche als Reihenbrennkraftmaschine, genauer als Viertakt-Vierzylinder-Reihenbrennkraftmaschine, vorliegt. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über eine Kurbelwelle 2 und vier Kolben 3, von welchen jeder in einem von vier nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine 1 beweglich gelagert ist. Jeder der vier Kolben ist durch einen Kolbenpleuel 4 mit der Kurbelwelle 2 verbunden. Die Kurbelwelle 2 ist in hier nicht dargestellten Wellenlagern eines ebenfalls nicht dargestellten Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist mehrere zur Lagerung dienende zentrische Wellenzapfen sowie vier Hubzapfen (hier nicht erkennbar) auf, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zu einer Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 versetzt sind.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst weiter eine Exzenterwelle 6, die eine zur Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 parallele Drehachse 7 aufweist. Die Exzenterwelle 6 ist beispielsweise neben der Kurbelwelle 2 sowie etwas unterhalb von dieser im Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert und aber einen Mehrgelenkskurbeltrieb 8 mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt. Neben der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 6 umfasst der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 insgesamt vier Koppelglieder 9, die jeweils auf einem der Hubzapfen der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert sind. Jedes der Koppelglieder 9 weist einen Hubarm 10 auf, der über ein Schwenkgelenk 11 schwenkbar mit einem unteren Ende von einem der Kolbenpleuel 4 verbunden ist. Ein oberes Ende des jeweiligen Kolbenpleuels 4 ist über ein weiteres Schwenkgelenk 12 am zugehörigen Kolben 3 angelenkt. Insgesamt ist also jeder der vier Kolben 3 durch den jeweiligen Kolbenpleuel 4 und das jeweilige Koppelglied 11 mit der Kurbelwelle 2 verbunden.
Der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 umfasst weiter eine der Anzahl der Kolbenpleuel 4 und der Koppelglieder 9 entsprechende Anzahl von Anlenkpleuel 13. Diese sind ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 6 jeweils in etwa derselben Ebene wie der dazugehörige Kolbenpleuel 4, jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2, angeordnet. Jeder Anlenkpleuel 13 umfasst eine Pleuelstange 14 und zwei an entgegengesetzten Enden der Pleuelstange 14 angeordnete Pleuelaugen 15 und 16, insbesondere mit unterschiedlichen inneren Durchmessern. Das größere Pleuelauge 16 jedes Anlenkpleuels 13 am unteren Ende der Pleuelstange 14 umgibt einen in Bezug zur Drehachse 7 der Exzenterwelle 6 exzentrischen Hubzapfen 17 der Exzenterwelle 6, auf dem der Anlenkpleuel 13 mittels eines Drehlagers 18 drehbar gelagert ist. Das kleinere Pleuelauge 15 am oberen Ende der Pleuelstange 14 jedes Anlenkpleuels 13 bildet einen Teil eines Schwenkgelenks 19 zwischen dem Anlenkpleuel 13 und einem längeren Koppelarm 20 des benachbarten Koppelglieds 9, der auf der zum Hubarm 10 entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2 über diese übersteht. Die Exzenterwelle 6 weist zwischen benachbarten exzentrischen Hubzapfen 17 sowie an ihren Stirnenden zur Lagerung der Exzenterwelle 6 in Wellenlagern dienende, zur Drehachse 8 koaxiale Wellenabschnitte 21 auf. Abgesehen von einer variablen Verdichtung kann durch die zuvor beschriebene Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 2 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 2 und Zylinderwänden der Zylinder führt. Insgesamt kann mit dem hier beschriebenen Mehrgelenkskurbeltrieb 8 ein Arbeitshub der Kolben 3 in Abhängigkeit von einem momentanen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 1 gewählt werden.
Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 eine Stellvorrichtung 22 auf, mittels welcher die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs einstellbar ist. Die Stellvorrichtung 22 weist ein Getriebe 23 mit einem auf der Exzenterwelle 6 drehfest angeordneten Abtriebsrad 24 auf. Ein mit dem Abtriebsrad 24 wirkverbundenes Antriebselement 25 ist mittels einer Antriebseinrichtung 26 antreibbar. Die Antriebseinrichtung 26 ist beispielsweise ein kleinbauender Elektromotor, welcher bei hoher Drehzahl, jedoch mit niedrigem Drehmoment betrieben wird. Das Getriebe 23 liegt in der hier dargestellten Ausführungsform als Schneckengetriebe vor. Das bedeutet, dass das Antriebselement 25 als Schnecke und das Abtriebsrad 24 als Schneckenrad ausgebildet sind. Das Schneckengetriebe ist vorzugsweise nicht selbsthemmend ausgebildet. Das bedeutet, dass sowohl eine Drehbewegung der Antriebseinrichtung 26 auf das Abtriebsrad 24 übertragen wird als auch in die umgekehrte Richtung. Das Antriebselement 25 ist auf einer Antriebswelle 27 angeordnet beziehungsweise drehfest mit dieser verbunden. Die Antriebswelle 27 ist über ein Untersetzungsgetriebe 28, welches als Planetengetriebe ausgebildet ist, von der Antriebseinrichtung 26 antreibbar.
Neben der Stellvorrichtung 22 verfügt der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 zudem über eine Sperrvorrichtung 29, mittels welcher die Exzenterwelle 6 in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festgesetzt werden kann. Die Sperrvorrichtung 29 kann grundsätzlich mit einer beliebig ausgebildeten Stellvorrichtung 22 verwendet werden, sodass nicht notwendigerweise die vorstehend beschriebene Ausgestaltung mit dem auf der Exzenterwelle 6 drehfest angeordneten Abtriebsrad 24 zum Einsatz kommen muss. Vielmehr ist eine beliebige Stellvorrichtung 22 realisierbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Sperrvorrichtung 29 an der Antriebswelle 27 vor, ist also zwischen der Antriebseinrichtung 26 beziehungsweise dem Untersetzungsgetriebe 28 und dem Antriebselement 25 angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Sperrvorrichtung 29 als Rasteinrichtung ausgebildet und verfügt über ein Rastelement 30, welches mit einem Rastgegenelement 31 zum Festsetzen der Exzenterwelle zusammenwirken kann. Das Rastgegenelement 31 ist als Scheibe ausgebildet und verfügt über zahlreiche, den Außenumfang der Scheibe durchgreifende Rasteingriffe 32. Das Rastelement 30 ist in Bezug auf eine Drehachse 33 der Antriebswelle 27 in radialer Richtung derart verlagerbar, dass es von dem Rastgegenelement 31 beabstandet ist oder in einen der Rasteingriffe 32 eingreift. In letzterem Fall ist die Exzenterwelle 6 in einer mit der Drehwinkelstellung des Rasteingriffs 32 korrespondierenden Drehwinkelsperrstellung festgesetzt.
Die 2 zeigt eine weitere Ansicht der Stellvorrichtung 22. Weitere Bereiche der Brennkraftmaschine 1, insbesondere die Exzenterwelle 6, sind nicht dargestellt. Die Ausführung der Stellvorrichtung 22 entspricht der bereits anhand der 1 beschriebenen, sodass insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei. Anhand der 2 wird deutlich, dass hier ein Lager 34 vorliegt, welches sowohl Lageraufnahmen 35 für die Exzenterwelle 6 (dargestellt sind lediglich die unteren Hälften der Lageraufnahmen 35) sowie eine Lagerstelle 36 für die Antriebswelle 27 aufweist. Ferner ist erkennbar, dass das Abtriebsrad 24 auf seiner Innenseite eine Zahnung aufweist, um die drehfeste Befestigung an der Exzenterwelle 6 zu erreichen.
Die 3 zeigt eine Detaildarstellung der Sperrvorrichtung 29. Es wird deutlich, dass das Rastelement 30 mittels einer Betätigungseinrichtung 37, welche beispielsweise einen Magnetaktuator umfasst, bezüglich der Drehachse 33 der Antriebswelle 27 in radialer Richtung verlagerbar ist, insbesondere in eine Freigabestellung und eine Raststellung. Die Rasteingriffe 32 sind durch Stege 38 voneinander beabstandet, wobei diese in radialer Richtung unterschiedliche Höhen aufweisen können.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs der Brennkraftmaschine 1. Grundsätzlich wird insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Angedeutet sind die auf einen der Kolben 3 wirkenden Gaskräfte (Pfeil 39). Diese werden über den Kolbenpleuel 4 und das Koppelglied 9 auf den Anlenkpleuel 13 übertragen, wobei entsprechend der angedeuteten Hebelwege a und b des Koppelarms 20 und des Hubarms 10 eine entsprechende Übersetzung stattfindet, weil das Koppelglied 9 in Bezug zu der Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 drehbeweglich gelagert ist. Befindet sich die Exzenterwelle 6 zu dem Zeitpunkt, in welchem die Gaskräfte gemäß Pfeil 39 auftreten, in einer Drehwinkelstellung, in welcher das Anlenkpleuel 13 die Gaskräfte exzentrisch in sie einleitet, so wird durch die Kraft (Pfeil 40) ein Drehmoment der Exzenterwelle 6 bewirkt, welche einem Verstellen mittels der Stellvorrichtung 22 entweder entgegenwirkt oder sie unterstützt und insoweit als unterstützendes Drehmoment vorliegt.
Üblicherweise ist es bei Brennkraftmaschinen 1 erwünscht, dass eine Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 1 schneller erfolgt als eine Erhöhung. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Exzenterwelle 6 derart anzuordnen, dass bei hohen Verdichtungsverhältnissen die in der 4 angedeuteten Kräfte das unterstützende Drehmoment an der Exzenterwelle 6 erzeugen. Zudem ist es vorgesehen, ein auf die Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 1 gerichtetes Verstellen der Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 mittels der Stellvorrichtung 22 zumindest teilweise durchzuführen, während das unterstützende Drehmoment durch die auf das Kolbenpleuel 4 wirkende Kraft erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine schnelle Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 1 erreicht. Entsprechend muss jedoch bei einem Verstellen in Richtung eines höheren Verdichtungsverhältnisses mittels der Stellvorrichtung 22 ein größeres Drehmoment auf die Exzenterwelle 6 aufgebracht werden. Das Verstellen erfolgt demnach üblicherweise langsamer als in die andere Richtung. Dies ist jedoch bei dem gewünschten Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses unproblematisch.
Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dem Mehrgelenkskurbeltrieb 8 beziehungsweise jedem der Koppelglieder 9 ein Federelement, insbesondere eine Torsionsfeder, zuzuordnen. Das Federelement wird mit dem unterstützenden Drehmoment, welches durch die Gaskräfte (Pfeil 39) bewirkt wird, gespannt. Die gespeicherten Federkräfte können anschließend bei einem Verstellen der Exzenterwelle 6 in Richtung höherer Verdichtungsverhältnisse ausgenutzt werden, um auch hier kurze Stellzeiten zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Kolben
4: Kolbenpleuel
5: Drehachse
6: Exzenterwelle
7: Drehachse
8: Mehrgelenkskurbeltrieb
9: Koppelglied
10: Hubarm
11: Schwenkgelenk
12: Schwenkgelenk
13: Anlenkpleuel
14: Pleuelstange
15: Pleuelauge
16: Pleuelauge
17: Hubzapfen
18: Drehlager
19: Schwenkgelenk
20: Koppelarm
21: Wellenabschnitt
22: Stellvorrichtung
23: Getriebe
24: Abtriebsrad
25: Antriebselement
26: Antriebseinrichtung
27: Antriebswelle
28: Untersetzungsgetriebe
29: Sperrvorrichtung
30: Rastelement
31: Rastgegenelement
32: Rasteingriff
33: Drehachse
34: Lager
35: Lageraufnahme
36: Lagerstelle
37: Betätigungseinrichtung
38: Steg
39: Pfeil
40: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2022959 A2 [0004]

Claims

Mehrgelenkskurbeltrieb (8) einer Brennkraftmaschine (1), mit einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle (2) gelagerten Koppelgliedern (9) und einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen (17) einer Exzenterwelle (6) gelagerten Anlenkpleueln (13), wobei jedes der Koppelglieder (9) schwenkbar mit einem Kolbenpleuel (4) eines Kolbens (3) der Brennkraftmaschine (1) und einem der Anlenkpleuel (13) verbunden und die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle (6) mittels einer Stellvorrichtung (22) innerhalb eines bestimmtes Drehwinkelbereichs einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (6) mittels einer Sperrvorrichtung (29) in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festsetzbar ist.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (29) eine Rasteinrichtung mit einem Rastelement (30) und einem Rastgegenelement (31) aufweist, wobei das Rastgegenelement (31) über einen mit der wenigstens einen Drehwinkelsperrstellung korrespondierenden Rasteingriff (32) verfügt.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (22) ein Getriebe (23) mit einem auf der Exzenterwelle (6) drehfest angeordneten Abtriebsrad (24) umfasst.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Abtriebsrad (24) wirkverbundenes Antriebselement (25) des Getriebes (23) mittels einer Antriebseinrichtung (26) antreibbar ist.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) ein Schneckengetriebe ist, wobei das Abtriebsrad (24) als Schneckenrad vorliegt und eine mit dem Schneckenrad wirkverbundene Schnecke das Antriebselement (25) bildet.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (26) über ein Untersetzungsgetriebe (28) mit dem Antriebselement (25) wirkverbunden ist.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgebetriebe (28) ein Planetengetriebe ist.
Mehrgelenkskurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (29) einer die Schnecke des Schneckengetriebes drehfest aufnehmenden Antriebswelle (27) zugeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Mehrgelenkskurbeltriebs (8) einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mehrgelenkskurbeltrieb (8) eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle (2) gelagerten Koppelglieder (9) und eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen (17) einer Exzenterwelle (6) gelagerten Anlenkpleueln (13) aufweist, wobei jedes der Koppelglieder (9) schwenkbar mit einem Kolbenpleuel (4) eines Kolbens (3) der Brennkraftmaschine (1) und einem der Anlenkpleuel (13) verbunden ist und die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle (6) mittels einer Stellvorrichtung (22) innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (6) mittels einer Sperrvorrichtung (29) in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festgesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf die Reduktion des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine (1) gerichtetes Verstellen der Drehwinkelstellung zumindest teilweise durchgeführt wird, während eine auf einen der Kolbenpleuel (4) wirkende Kraft auf der Exzenterwelle (6) ein unterstützendes Drehmoment erzeugt.