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Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Verstelleinrichtung eines Hubkolbenmotors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Das Verdichtungsverhältnis eines Hubkolbenmotors bezeichnet das Verhältnis des gesamten Zylinderinnenraums eines Motors vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderinnenraum nach der Verdichtung. In gängigen Otto- oder Dieselmotoren ist dieses Verhältnis bauartbedingt konstant. Bei der Wahl des gewünschten Verdichtungsverhältnisses ist dabei zu beachten, dass ein höheres Verdichtungsverhältnis zwar den Wirkungsgrad hebt und den spezifischen Kraftstoffverbrauch reduziert, gleichzeitig aber auch die thermischen Verluste erhöht. Insbesondere bei Ottomotoren kommt dazu, dass bei zu hohen Verdichtungsverhältnissen die Klopfneigung des Motors ebenfalls ansteigt. Der optimale Kompromiss zwischen spezifischen Kraftstoffverbrauch, thermischen Verlusten und Klopfrisiko hängt dabei jedoch auch von weiteren Parametern ab, die nicht bauartbedingt vorgegeben sind. Einer dieser Faktoren stellt die Oktanzahl des jeweils verwendeten Kraftstoffs dar. Aus den zuvor genannten Gründen kann es daher sinnvoll sein, in Abhängigkeit derart variierender Gegebenheiten das Verdichtungsverhältnis eines Motors einstellbar zu gestalten.
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Eine besondere Bedeutung kommt einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis bei Motoren mit so genannter homogener Kompressionszündung zu. Solche Motoren arbeiten mit einem homogen verteilten Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft, das im Teillastbetrieb des Motors im Gegensatz zu konventionellen Ottomotoren durch Selbstzündung gezündet wird. Lediglich im Volllastbetrieb erfolgt eine Fremdzündung durch eine Zündkerze. Solche Motoren zeichnen sich durch sehr gute Verbrauchseigenschaften aus und vermeiden außerdem die Entstehung von Schadstoffen wie NOx und Russpartikeln fast vollständig durch innermotorische Maßnahmen. Durch die Möglichkeit des Betriebs als selbst- und als fremdzündender Motor ist ein verstellbares Verdichtungsverhältnis in diesem Anwendungsfall unverzichtbar. Auch innerhalb des selbstzündenden Betriebs kann dabei das Verdichtungsverhältnis weiter variiert werden, um für jeden Betriebspunkt einen optimalen Wirkungsgrad sicherzustellen.
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Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses wird bei den bekannten technischen Lösungen in der Regel im Bereich der Lagerung des Kolbens am Pleuel erzielt. Hierbei werden in der Regel exzentrische Kolbenbolzen oder Kolbenbolzenlager verwendet. Durch eine Drehung des jeweiligen exzentrischen Elementes wird in solchen Systemen die Relativlage zwischen Kolben und Kolbenbolzen verändert, was einer Veränderung der effektiven Pleuellänge entspricht. Sobald die Verstellung abgeschlossen ist, wird das jeweilige exzentrische Element in seiner gewünschten Position fixiert.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2008 038 077 A1 ein Kolben für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis bekannt, das mit Hilfe eines exzentrisch verstellbaren Kolbenbolzens variiert wird. Um unerwünschte Verstellungen zu vermeiden, ist dem Kolbenbolzen ein Verriegelungselement zugeordnet, durch das der Kolbenbolzen in der gewünschten Position arretierbar ist. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass das Verriegelungselement eine Verzahnung aufweist, die derart am Außenumfang des Verriegelungselementes ausgeführt ist, dass diese mit einer komplementären Gegenverzahnung im Bereich des Kolbenschaftes in Eingriff bringbar ist. Der Übergang zwischen Verriegelungs- und Entriegelungsposition ist durch eine kurze axiale Bewegung des Verriegelungselementes möglich. Die Bewegung des Verriegelungselementes wird hierbei durch einen vom Kolben getrennten Aktuator bewirkt.
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Auch die
DE 10 2008 038 076 A1 beschreibt einen Kolben für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis. Der Kolbenbolzen ist in diesem Fall derart drehbar und schwimmend in einer Kolbenbolzenlagerung gelagert, dass die Achse des Kolbenbolzens durch Drehverstellung eines Exenterelements der Kolbenbolzenlagerung exzentrisch verstellbar ist. Somit ist hier nicht der Kolbenbolzen selbst mit exzentrischer Kontur versehen, sondern es ist vielmehr ein exzentrisches Element in der Kolbenbolzenlagerung vorgesehen. Zur Realisierung der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses wird wiederum die Relativlage des Kolbenbolzens zum Kolben verändert.
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Ferner ist aus der
DE 10 2008 038 074 A1 die Ansteuerung für eine Verstelleinrichtung eines Hubkolbenmotors zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Brennraum bekannt. Eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses wird wiederum dadurch bewirkt, dass die Lage des Kolbenbolzens relativ zum Kolben verändert wird. Bei der beschriebenen technischen Lösung erfolgt die Ansteuerung der Verstelleinrichtung mit Hilfe eines Verstellelementes, wobei eine Koppelungseinrichtung vorgesehen ist, durch die das Verstellelement mit einer Schaltkulisse an einem Gegengewicht einer Kurbelwelle des Hubkolbenmotors koppelbar ist. Durch eine geeignete Ausführung der Schaltkulisse an einem Gegengewicht der Kurbelwelle wird eine Bewegung des Verstellelementes hervorgerufen und so die Lage des Kurbelwellenbolzens durch eine Drehung verändert.
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Die
DE 10 2008 038 090 A1 beschreibt eine Verriegelung eines verstellbaren, an einem Kolben gelagerten Kolbenbolzens für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis. Die Steuerungseinrichtung verfügt hierbei über ein Betätigungselement in Form eines Schlüsselelementes, das fest mit einem Kurbelgehäuse des Motors verbunden ist. Sobald sich der Kolben während eines Arbeitszyklus im unteren Totpunkt eines befindet, gerät das Schlüsselelement in Wirkverbindung mit einem Führungselement, das wiederum an einem Verriegelungselement angeordnet ist. Das Schlüsselelement übt daraufhin eine Kraft auf das Führungselement aus und entriegelt die Verriegelung des Kolbenbolzens. Die Entriegelung der Verstelleinrichtung findet somit ausschließlich im unteren Totpunkt des Kolbens statt. Auf diese Weise wird eine mit der Kolbenbewegung synchronisierte Ver- und Entriegelung gewährleistet, so dass die Verstellung nur in einem bereich des jeweiligen Arbeitszyklus möglich ist, an welchem die einwirkenden Gas- und Massenkräfte minimal sind.
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In der
DE 10 2008 038 088 A1 wird darüber hinaus ein Hubkolbenmotor mit einer Steuerungseinrichtung für eine Verriegelung eines verstellbar an einem Kolben gelagerten Kolbenbolzen beschrieben. Um ein Verriegelungselement zwischen einer Arretierungs- und einer Freigabestellung zu bewegen, ist bei der beschriebenen technischen Lösung vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung eine Führung umfasst, die mit einem Führungselement korrespondiert, das zwischen einer Arretierungs- und einer Freigabestellung bewegbar ist. Das Verriegelungselement wird somit wiederum über eine Schaltkulisse am Gegengewicht der Kurbelwelle zwischen diesen beiden Positionen hin- und herbewegt.
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Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ansteuerung eines Verstellelementes zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors derart weiterzubilden, dass die Verdichtungsverstellung mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln realisierbar ist. Hierbei sollen die Ansteuerung sowie die hierfür benötigten Elemente über einen einfachen Aufbau verfügen sowie möglichst kompakt und platzsparend ausgeführt sein. Die anzugebende technische Lösung sollte weiterhin zu Verbrauchseinsparungen beim Betrieb des Hubkolbenmotors führen.
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Die vorstehende Aufgabe wird mit einer Ansteuerung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist eine Ansteuerung einer Verstelleinrichtung eines Hubkolbenmotors, durch die ein Verdichtungsverhältnis in einem Brennraum des Motors verstellbar ist, mit einem Kolbenbolzen, der einen Kolben mit einem diesem zugeordneten Pleuel verbindet, mit einer Kolbenbolzenlagerung, über die der Kolbenbolzen drehbar im Kolben gelagert ist, wobei eine Mantelfläche des Kolbenbolzens im Mittenbereich des Bolzens exzentrisch in Bezug auf Mantelflächen in Endbereichen des Bolzens ausgeführt ist, und mit einem Steuerelement, durch das der Kolbenbolzen während eines Arbeitszyklus des Kolbens wenigstens zeitweise drehbar ist, derart weitergebildet worden, dass das Steuerelement über einen Steuerschieber und über einen mit Hilfe des Steuerschiebers drehbaren sowie entlang einer Bolzenlängsachse des Kolbenbolzens verschiebbaren Stellbolzen mit wenigstens einem Rastelement verfügt, wobei über das Rastelement nach einer Verschiebung des Stellbolzens in Richtung einer Kolbenmittelachse eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Stellbolzen und dem Kolbenbolzen herstellbar und zumindest zeitweise eine Drehbewegung vom Stehbolzen auf den Kolbenbolzen übertragbar ist.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung zeichnet sich durch den Einsatz eines Steuerschiebers und eines Stellbolzens, der im Zylinderkurbelgehäuse verschiebbar gelagert ist, aus. Durch den Steuerschieber kann gezielt ein Stellbolzen verstellt werden, welcher wiederum die Lage des Kolbenbolzens im Kolben zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses verändert. Wesentliches Merkmal des vorgesehenen Stellelementes, das einen Steuerschieber und einen Stellbolzen aufweist, ist eine Kontaktfläche zwischen dem ausgefahrenen Steuerschieber und dem Stellbolzen, die derart geformt ist, dass bei einer Relativbewegung zwischen dem ausgefahrenen Steuerschieber und dem Stellbolzen dieser zunächst axial in Richtung der Kolbenmittenachse bewegt und anschließend gedreht wird. Zur Realisierung einer geeigneten Kontaktfläche ist die Ausbildung unterschiedlicher Konturen am Steuerschieber und/oder am Stellbolzen denkbar.
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Eine bevorzugte Gestaltung der erfindungsgemäß ausgeführten Ansteuerung sieht vor, dass der Stellbolzen aufgrund der gemeinsamen translatorischen Bewegung mit dem Kolben auf den Steuerschieber, und hier insbesondere auf eine rampenförmige Anschlagfläche aufläuft. Diese Berührung zwischen Stellbolzen und Steuerschieber ist dann möglich, wenn der Steuerschieber mit Hilfe eines Aktuators ausgefahren wurde, um so gezielt das Verdichtungsverhältnis im Brennraum zu verändern. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Kontaktfläche wird diese durch eine am Steuerbolzen vorgesehene, konturierte Steuerscheibe mit rampenförmigen Anschlagflächen und einer Gegenfläche am Steuerschieber gebildet. In beiden Fällen wird beim Auffahren durch die Form der Kontaktfläche zwischen Stellbolzen und Steuerschieber eine Bewegung des Stellbolzens in Richtung der Kolbenmittelachse initiiert und weiterhin der Stellbolzen entriegelt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist am Steuerschieber ein weiterer Anschlag vorgesehen, der bei einer fortgesetzten Bewegung des Kolbens mit dem Stellbolzen und damit verbundener Relativbewegung zwischen Steuerschieber und Stellbolzen in Wirkverbindung mit dem Stellbolzen tritt und den Stellbolzen in eine Drehbewegung versetzt. Vorzugsweise wird der Stehbolzen hierbei um ein Inkrement weitergedreht. Aufgrund des weiterhin am Stellbolzen vorgesehenen Rastelements, das zumindest zeitweise eine Verbindung zwischen Stellbolzen und Kolbenbolzen herstellt, wird somit auch der Kolbenbolzen um ein Inkrement weitergedreht. In einer besonderen Ausführungsform ist das Rastelement des Stellbolzens als Außenverzahnung am Stellbolzen ausgeführt, die zur Einleitung einer Drehbewegung zumindest zeitweise in eine Innenverzahnung im Kolbenbolzen eingreift. Auf geeignete Weise ist der Stellbolzen als Zahnwellenbolzen mit Steuernasen ausgeführt, während der Kolbenbolzen zumindest in den nicht exzentrisch ausgebildeten Endbereichen als Hohlzylinder mit einem innen liegenden Zahnwellenprofil, das die Gegenkontur zum Zahnwellenbolzen darstellt, ausgebildet ist.
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Aufgrund der Drehbewegung des exzentrisch ausgeführten Kolbenbolzens wird in bekannter Weise das Verdichtungsverhältnis im Brennraum angepasst. Im Anschluss an die Verstellung wird der Stellbolzen erneut verriegelt, so dass es in diesem Arbeitszyklus nicht zu einer weiteren Drehbewegung des Stellbolzens und einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kommt. Bevorzugt erfolgt die erneute Verriegelung des Stellbolzens mit Hilfe einer Druckfeder, deren Federkraft axial nach außen in Richtung des Steuerschiebers gerichtet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile einer Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante;
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2 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile einer Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante;
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3 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand ca. 45° vor dem unteren Totpunkt;
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4 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand ca. 20° vor dem unteren Totpunkt;
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5 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand ca. 8° vor dem unteren Totpunkt;
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6 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand bei Erreichen des unteren Totpunkts;
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7 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand ca. 14° nach dem unteren Totpunkt;
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8 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante im Zustand ca. 45° nach dem unteren Totpunkt;
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9 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 35° vor dem unteren Totpunkt;
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10 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 30° vor dem unteren Totpunkt;
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11 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 15° vor dem unteren Totpunkt;
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12 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 10° vor dem unteren Totpunkt;
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13 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 5° vor dem unteren Totpunkt; sowie
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14 eine Perspektivdarstellung der Funktionsweise der Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante im Zustand ca. 30° nach dem unteren Totpunkt.
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1 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Einzelteile einer Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer ersten Variante der Erfindung. Die wesentlichen Bauteile sind der Kolben 1, der Kolbenbolzen 2, der in Form eines Zahnwellenbolzens mit Steuernasen ausgeführte Stellbolzen 3 sowie die Zahnwellenhülse 4. Der dargestellte Kolben 1 umfasst einen Kolbenschaft 10, in dessen Bereich gegenüberliegend zwei Bolzenaugen 5 vorgesehen sind, die der Aufnahme des Kolbenbolzens 2 dienen. Oberhalb des Kolbenschaftes 10 schließt sich die Kolbenringzone 11 an, in der mehrere Kolbenringe (nicht dargestellt) in Nuten fixiert angeordnet werden. Die Kolbenringzone 11 ist hierbei zum Kolbenboden 12 durch den Feuersteg 13 abgegrenzt. Der Kolbenboden 12 steht in Kontakt mit dem Brennraum des zugeordneten Zylinders eines Hubkolbenmotors, der hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
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In den Bolzenauge 5 des Kolbens 1 ist am Innenumfang ein Zahnwellenprofil 6 vorgesehen. Das Zahnwellenprofil 6 ist hierbei derart ausgeführt, dass die Zahnwellenhülse 4 mit ihrem am Außenumfang vorgesehenen Zahnprofil in das Zahnwellenprofil 6 des Bolzenauges 5 einführbar ist. Im montierten Zustand befindet ist der Kolbenbolzen 2 mit seinen holzylinderförmig ausgebildeten Endbereichen 7 im Inneren der Zahnwellenhülse 4 angeordnet und zwar derart, dass die glatte Mantelfläche der Endbereiche 7 des Kolbenbolzens 2 an der ebenfalls glatten Innenumfangsfläche des Zahnwellenbolzens 4 anliegt. Im Gegensatz zu den Endbereichen 7 des Kolbenbolzens 2 ist der Mittenbereich 8, der im Betrieb von den Lageschalen eines Pleuels umgeben ist, exzentrisch ausgeführt. Durch Drehung des Kolbenbolzens kann somit die effektive Länge des Pleuels und somit der Kolbenhub verändert werden.
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An der Innenumfangsfläche verfügen die hohlzylinderförmig ausgebildeten Endbereiche 7 des Kolbenbolzens 2 ebenfalls über ein Zahnwellenprofil 9. Dieses Zahnwellenprofil 9 ist derart ausgeführt, dass der Stellbolzen 3 mit seinem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 23 eingeführt werden kann. Je nach Stellung des in Richtung der Kolbenmittenachse verschiebbar gelagerten Stellbolzens 3 gibt es somit zwei wesentliche Betriebszustände. Im ersten Betriebszustand, in dem keine Kolbenhubverstellung stattfindet, existiert eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zahnwellenprofil 6 am Bolzenauge 5 des Kolbens und dem am Außenumfang vorgesehenen Zahnprofil der Zahnwellenhülse 4, dem abschnittsweise vorgesehenen Innenprofil 14 der Zahnwellenhülse 4 und dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 23 des Stellbolzens 3 sowie zwischen dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 23 des Stellbolzens 3 und dem an der Innenumfangsfläche der Endbereiche 7 des Kolbenbolzens 2 vorgesehenen Zahnwellenprofil 9. Der Kolbenbolzen 2 befindet sich in diesem Betriebszustand in einer gegenüber dem Kolben 1 arretierten Position.
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Im zweiten Betriebszustand, in dem der Stellbolzen in Richtung der Kolbenmittenachse verschoben und eine Kolbenhubverstellung möglich ist, existiert keine formschlüssige Verbindung zwischen dem abschnittsweise vorgesehenen Innenprofil 14 der Zahnwellenhülse 4 und dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 23 des Stellbolzens 3. Der Kolbenbolzen 2 ist in diesem Betriebszustand somit nicht gegenüber dem Kolben 1 arretiert und es besteht die Möglichkeit, den Kolbenbolzen 2 zu drehen. Gemäß der in 1 dargestellten ersten Variante der Erfindung kann in diesem Betriebszustand über die Steuernasen 15 am Stellbolzen 3 eine Drehbewegung in den Stellbolzen 3 und den mit diesem in Wirkverbindung stehenden Kolbenbolzen 2 eingeleitet werden.
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2 zeigt darüber hinaus die Bauteile einer Ansteuerung für eine Kolbenhubverstellung gemäß einer zweiten Variante der Erfindung. Im Vergleich zu den im Zusammenhang mit 1 erläuterten Bauteilen unterscheidet sich vor allem die konstruktive Gestaltung des Stellbolzens 3. Dieser ist in diesem Fall nicht einteilig mit entsprechenden Steuernasen 15 ausgeführt, sondern verfügt über eine konturierte Steuerscheibe 16, die mit Hilfe einer Stufenhülse 17 und einer Schraube am Stellbolzen 3 befestigt wird. Die übrigen in 2 gezeigten Bauteile Kolben 1, Kolbenbolzen 2 und Zahnwellenhülse 4 sind ebenso wie bei der ersten Variante der Erfindung ausgeführt. Auch die Funktion der Bauteile in montiertem Zustand entspricht der, wie sie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert worden ist.
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In den 3 bis 14 wird nunmehr die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ansteuerung einer Kolbenhubverstellung anhand zweier möglicher Ausführungsformen beschrieben. Hierbei bezieht sich die Beschreibung der 3 bis 8 auf eine Ausführung mit den gemäß der ersten Variante der Erfindung gestalteten Bauteile, während sich die 9 bis 14 auf die Funktionsweise einer Ansteuerung unter Verwendung von Bauteilen, die gemäß der zweiten Variante der Erfindung ausgeführt sind, beziehen. In allen Figuren sind gleiche Bauteile auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 3 ist der Kolben 1 in einem Betriebszustand etwa 45° vor dem unteren Totpunkt gezeigt, so dass sich der Kolben 1 in einer Abwärtsbewegung innerhalb des Zylinders befindet. Innerhalb des nicht dargestellten Kurbelgehäuses ist ein Steuerschieber 18 vorgesehen, der einerseits eine rampenförmige Anschlagfläche 19 und andererseits einen weiteren, federbelasteten Anschlag 20 aufweist. Der Steuerschieber 18 kann mit Hilfe eines Aktuators in Pfeilrichtung bewegt werden.
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Der Stellbolzen 3 wird in diesem Betriebszustand durch eine im Inneren des Kolbens 1 angeordnete Druckfeder nach außen gedrückt und befindet sich in einer gegenüber dem Kolben 1 arretierten Stellung. Der Kolbenbolzen ist somit ebenfalls arretiert und kann nicht gedreht werden. Außerhalb des Kolbens 1 befinden sich die Steuernasen 15 des als Zahnwellenbolzen ausgeführten Stellbolzens 3.
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In dem in 4 gezeigten Betriebszustand hat sich der der Kolben weiter nach unten bewegt und befindet sich etwa 20° vor dem unteren Totpunkt. Der Steuerschieber 18 wurde nunmehr mit Hilfe eines Aktuators in Pfeilrichtung ausgefahren, da eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Brennraum des Hubkolbenmotors erfolgen soll. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 1 bewegt sich auch der Stellbolzen 3 in diese Richtung auf die rampenförmige Anschlagfläche 19 des Steuerschiebers 18 zu. Es kommt zu einem Kontakt zwischen der rampenförmigen Anschlagfläche 19 des Steuerschiebers 18 und dem Stellbolzen 3, so dass dieser aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 gegen die Federkraft der Druckfeder im Inneren des Kolbens 1 in Richtung der Kolbenmittenachse gedrückt wird. Aufgrund dieser Bewegung des Stellbolzens 3 wird dieser schließlich entriegelt und ist nunmehr gegenüber dem Kolben 1 drehbar.
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5 zeigt den Betriebszustand der Ansteuerung der Kolbenhubverstellung etwa 8° vor dem unteren Totpunkt. Der Steuerbolzen 3 ist entriegelt und läuft auf den als Stellkeil ausgeführten weiteren Anschlag 20 des Steuerschiebers 18 auf. Der keilförmige Anschlag 20 greift hierbei in die Steuernasen 15 des Stellbolzens 3 ein und bewirkt eine Drehung des Stellbolzens 3 im Uhrzeigersinn. Durch die Drehung des Stellbolzens 3 wird gleichermaßen der Kolbenbolzen 2 gedreht, da sich das außenseitig vorgesehene Zahnwellenprofil des Stellbolzens 3 mit dem an der Innenumfangsfläche der Endbereiche des Kolbenbolzens 2 vorgesehenen Zahnwellenprofil in Wirkverbindung befindet.
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In 6 ist nunmehr der Betriebszustand im unteren Totpunkt dargestellt. Der Stellbolzen 3 wurde durch den keilförmigen Anschlag 20 des Steuerschiebers 18 um ein Inkrement, in diesem Fall um einen Zahn, was einer Drehung um etwa 36° entspricht, verdreht. Nach Erreichen des unteren Totpunktes bewegt sich der Kolben 1 nunmehr aufwärts, so dass der Stellbolzen 3 den keilförmigen, federbelasteten Anschlag 20 nach oben überfährt. Da nunmehr kein Kontakt mehr zwischen dem Steuerschieber 20 und dem Stellbolzen 3 besteht, wird der Stellbolzen 3 durch die im Inneren des Kolbens vorgesehene Druckfeder nach außen in eine verriegelte Position bewegt. Durch diese Verriegelung wird eine ungewünschte Verstellung des Stellbolzens und damit des Verdichtungsverhältnisses zuverlässig vermieden.
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Im Folgenden zeigt 7 den Betriebszustand der Ansteuerung etwa 10° nach dem unteren Totpunkt. Der Kolben 1 befindet sich in der Aufwärtsbewegung und der Stellbolzen 3 ist zuverlässig gegenüber dem Kolben 1 verriegelt. 8 zeigt die Ansteuerung in einem zustand etwa 45° nach dem unteren Totpunkt. Während sich der Kolben 1 nach wie vor in einer Aufwärtsbewegung befindet, wird der Steuerschieber 18 wieder eingefahren, da keine weitere Verstellung des Verdichtungsverhältnisses gewünscht ist. Durch das Einfahren des Steuerschiebers wird ein weiteres Verstellen bei Erreichen des nächsten unteren Totpunktes sicher verhindert.
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Die 3 bis 8 zeigen die erfindungsgemäße Ansteuerung lediglich auf der einen Seite des Kolbens 1. Um eine Verstellung des Kolbenhubes in eine entgegen gesetzte Richtung zu ermöglichen, ist auf der anderen Seite des Kolbens 1 ebenfalls ein Steuerschieber sowie die weitere Bauteile der Ansteuerung vorgesehen. Die Anordnung dieser Bauteile ist jeweils spiegelbildlich zu der, wie sie im Zusammenhang mit den 3 bis 8 erläutert worden ist. In jedem Fall wird der Steuerschieber 18 nur in Längsrichtung verstellt und so an den Kolben 1 herangefahren, wenn der Kolbenhub verstellt werden soll. Der Steuerschieber 18 ist hierbei im Zylinderkurbelgehäuse gelagert. Sofern eine entsprechende Verstellung des Kolbenbolzens 2 um mehr als ein Inkrement vorgenommen werden soll, bleibt der Steuerschieber 18 ausgefahren, so dass der Kolbenbolzen 2 immer um ein Inkrement verdreht wird, wenn der Kolben 1 den unteren Totpunkt erreicht.
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Die 9 bis 14 zeigen die Funktionsweise der Ansteuerung einer Kolbenhubverstellung mit den gemäß der zweiten Variante der Erfindung ausgeführten Bauteilen.
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9 zeigt einen Betriebszustand etwa 35° vor dem unteren Totpunkt. Der Kolben 1 befindet sich in einer Abwärtsbewegung in Richtung des Steuerschiebers 18. Der Steuerschieber 18 wird durch die Betätigung eines Aktuators in Pfeilrichtung ausgefahren. Der ebenfalls als Zahnwellenbolzen ausgeführte Stellbolzen 3, an dem nunmehr eine konturierte Steuerscheibe 16 befestigt ist, befindet sich noch in verriegelter Position.
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In 10 wird ein Betriebszustand etwa 30° vor dem unteren Totpunkt dargestellt. Die am Stellbolzen 3 mittels einer Schraubverbindung befestigte Steuerscheibe 16 läuft auf den Steuerschieber 18 auf. Durch das Vorsehen einer rampenförmigen Anschlagfläche 21 an der Steuerscheibe 16 wird eine geeignete Kontaktfläche zwischen Steuerscheibe 16 des Stellbolzens 3 und Steuerschieber 18 erzeugt, so dass der Stellbolzen 3 aufgrund der fortgesetzten Abwärtsbewegung des Kolbens 1 nach innen gedrückt wird.
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Wie 11 zu entnehmen ist, befindet sich die rampenförmige Anschlagfläche 21 bei etwa 15° vor dem unteren Totpunkt nach wie vor im Eingriff mit der Gegenkontur des Steuerschiebers 18 und entriegelt den Stellbolzen 3.
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12 ist im Folgenden zu entnehmen, dass in einem Betriebszustand bei etwa 10° vor dem unteren Totpunkt der Steuerschieber 18 die Steuerscheibe 16 bis zu einem axialen Anschlag geschoben hat, so dass diese mit ihrer Außenkontur 21 auf eine Nase 22 am Steuerschieber 18 aufläuft. Auf diese Weise wird die Steuerscheibe 16 mit dem daran befestigten Stellbolzen 3 und somit auch der formschlüssig über die hierfür vorgesehenen Verzahnungen mit dem Stellbolzen 3 verbundene Kolbenbolzen 2 gedreht.
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Wie 13 zu entnehmen ist überfährt der Steuerschieber 18 in einem Betriebszustand von etwa 5° vor dem unteren Totpunkt aufgrund der Relativbewegung zwischen Steuerscheibe 16 und Steuerschieber 18 die Steuerscheibe 16, während die Steuerscheibe 16 um ein Inkrement gedreht wird. Im Anschluss hieran wird der Stellbolzen 3 mit der Steuerscheibe 16 von der Druckfeder im inneren des Kolbens 1 wieder nach außen gedrückt und verriegelt.
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Abschließend zeigt 14 einen Betriebszustand der Ansteuerung etwa 30° nach dem unteren Totpunkt, Der Kolben 1 fährt in verriegelter Position aufwärts und der Steuerschieber 18 wird eingefahren.
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Bei der Ansteuerung gemäß der zweiten Variante der Erfindung ist je Zylinder nur ein Steuerschieber 18 vorgesehen. Auch hier wird der Steuerschieber 18 nur im Bedarfsfall, also sobald eine Verstellung des Kolbenhubs erfolgen soll, an den Kolben 1 herangefahren. Eine Verstellung erfolgt stets, wenn der Kolben 1 den unteren Totpunkt erreicht. Da nur ein Steuerschieber 18 vorgesehen ist, erfolgt die Drehung des Stell- und des Kolbenbolzens und somit eine Verstellung des Kolbenhubs allerdings nur in eine Richtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenbolzen
- 3
- Stellbolzen
- 4
- Zahnwellenhülse
- 5
- Bolzenauge
- 6
- Zahnwellenprofil am Bolzenauge
- 7
- Endbereich des Kolbenbolzens
- 8
- Mittenbereich des Kolbenbolzens
- 9
- Zahnwellenprofil am Kolbenbolzen
- 10
- Kolbenschaft
- 11
- Kolbenringzone
- 12
- Kolbenboden
- 13
- Feuersteg
- 14
- Innenprofil der Zahnwellenhülse
- 15
- Steuernase am Stellbolzen
- 16
- Steuerscheibe
- 17
- Stufenhülse
- 18
- Steuerschieber
- 19
- Anschlagrampe am Steuerschieber
- 20
- Zweiter Anschlag am Steuerschieber
- 21
- Außenkontur der Steuerscheibe
- 22
- Nase am Steuerschieber
- 23
- Rastelement am Stellbolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008038077 A1 [0005]
- DE 102008038076 A1 [0006]
- DE 102008038074 A1 [0007]
- DE 102008038090 A1 [0008]
- DE 102008038088 A1 [0009]
