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Die Erfindung betrifft ein Verstellsystem für eine Kolbenhubverstellung 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 sogenannter 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, ein Verstellsystem für eine Kolbenhubverstellung derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige Ver- und Entriegelung des Kolbenbolzens mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisiert wird. insbesondere soll sich die anzugebende technische Losung durch einen einfachen und kompakten Aufbau auszeichnen.
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Gleichzeitig soll das Verstellsystem weitere Kraftstoffeinsparungen ermöglichen und einfach in konventionelle Brennkraftmaschinen zu integrieren sein.
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Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Verstellsystem gemäß Anspruch 7 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 ein Verstellsystem für eine Kolbenhubverstellung eines Hubkolbenmotors, das über einen im Mittenbereich exzentrisch ausgeführten Kolbenbolzen, der einen Kolben mit einem diesem zugeordneten Pleuel verbindet, eine Kolbenbolzenlagerung, über die der Kolbenbolzen drehbar im Kolben gelagert ist, einen Stellbolzen, durch den der Kolbenbolzen in einer Entriegelungsstellung wenigstens zeitweise drehbar ist, und über ein Verriegelungselement, durch das der Stellbolzen in einer Verriegelungsstellung drehfest arretierbar ist, derart weitergebildet worden, dass der Stellbolzen durch eine Verschiebung in Richtung einer Kolbenmittenachse aus der Verriegelungsstellung in die Entriegelungsstellung überführbar ist.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass einerseits ein Stellbolzen, über den eine Drehbewegung auf den Kolbenbolzen übertragbar ist, und andererseits ein Verriegelungselement, durch das der Stellbolzen und damit auch der Kolbenbolzen drehfest arretierbar sind, vorgesehen sind. Durch den Stellbolzen ist der Kolbenbolzen in entriegelter Stellung drehbar, so dass auf diese Weise der Kolbenhub verändert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verriegelungselement eine Zahnwellenhülse mit einer Innenverzahnung auf, die in Verriegelungsstellung in eine Außenverzahnung des Stellbolzens eingreift. Vorzugsweise ist die Innenverzahnung hierbei nur auf einer Teilfläche der Innenwand der Zahnwellenhülse angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die Zahnwellenhülse ihrerseits mit einer auf dem Außenumfang vorgesehenen Verzahnung in eine im Bolzenauge vorgesehene Verzahnung eingreift, so dass die Zahnwellenhülse relativ zum Kolben fixiert ist.
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In einer speziellen Ausführungsform wird die Verschiebung des Stellbolzens in Richtung der Kolbenmittenachse durch einen außerhalb des Kolbens angeordneten und im Bedarfsfall ausfahrbaren Steuerschieber bewirkt. Hierbei wird der Stellbolzen in Richtung der Kolbenmittenachse verschoben und entriegelt, indem die Außenverzahnung des Stellbolzens aus der Innenverzahnung der Zahnwellenhülse hinausgeschoben wird. Der Stellbolzen ist nunmehr drehbar und kann seinerseits eine Drehbewegung auf den Kolbenbolzen übertragen. In diesem Zusammenhang sieht eine besondere Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Stellbolzen ebenfalls durch den ausgefahrenen Stellschieber gezielt in eine Drehbewegung versetzbar ist.
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Auf bevorzugte Weise wird der Kolbenbolzen somit nach der Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Stell- und Kolbenbolzen in eine Drehung versetzt. Der Kolbenbolzen wird somit über den verschiebbar angeordneten Stellbolzen drehsicher mit Spiel geführt, so dass der Kolbenbolzen mit Hilfe des Stellbolzens einerseits in eine Drehbewegung versetzbar und andererseits zuverlässig arretierbar ist. Der Stellbolzen ist seinerseits zumindest zeitweise drehsicher in einer Zahnwellenhülse gelagert, die durch eine Zahnwellen-Welle-Nabe-Verbindung drehsicher mit dem Kolben verbunden ist. Durch eine axiale Verschiebung des Stellbolzens in Richtung der Kolbenmittenachse wird die Verbindung mit der Zahnwellenhülse gelöst und kann so gedreht werden. Aus der entriegelten Stellung wird der Stellbolzen mit Hilfe einer im Inneren des Kolbenbolzens angeordneten Druckfeder wieder in die Verriegelungsstellung überführt. Sobald der Stellbolzen nicht mehr in Richtung der Kolbenmittenachse gedrückt wird, wird dieser mit einer radial nach außen wirkenden Federkraft beaufschlagt, axial verschoben und drehsicher mit der Zahnhülse verbunden, so dass der Stellbolzen wiederum relativ zum Kolben arretiert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile eines Verstellsystems einer Kolbenhubverstellung;
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2 eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Verstellsystem für eine Kolbenhubverstellung in verriegeltem Zustand; sowie
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3 eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Verstellsystem für eine Kolbenhubverstellung in entriegeltem Zustand.
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1 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Einzelteile eines Verstellsystems für eine Kolbenhubverstellung. Die wesentlichen Bauteile sind ein Kolben 1, ein Kolbenbolzen 2, ein Stellbolzen 3 mit einer konturierten Steuerscheibe sowie eine 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 Bolzenaugen 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. Auf diese Weise ist die Zahnwellenhülse 4 zuverlässig gegenüber dem Kolben 1 fixiert.
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Der Kolbenbolzen 2 ist im montierten Zustand 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 der Zahnwellenhülse 4 anliegt. Im Gegensatz zu den Endbereichen 7 des Kolbenbolzens 2 ist der Mittenbereich 8, der im Betrieb von den Lagerschalen 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 14 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, einem abschnittsweise vorgesehenen Innenzahnprofil 15 der Zahnwellenhülse 4 und dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 14 des Stellbolzens 3 sowie zwischen dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 14 des Stellbolzens 3 und dem an der Innenumfangsfläche der Endbereiche 7 des Kolbenbolzens 2 vorgesehenen Zahnwellen-Profil 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 3 in Richtung der Kolbenmittenachse verschoben und eine Kolbenhubverstellung möglich ist, existiert keine formschlüssige Verbindung zwischen dem abschnittsweise vorgesehenen Innenzahnprofil 15 der Zahnwellenhülse 4 und dem außenseitig vorgesehenen Zahnwellenprofil 14 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.
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Um den Stellbolzen 3 in eine Drehbewegung zu versetzen, ist eine konturierte Steuerscheibe 16 vorgesehen, die mit Hilfe einer Stufenhülse 17 und einer Schraube am Stellbolzen 3 befestigt ist. Durch einen außerhalb des Kolbens 1 angeordneten Steuerschieber ist es auf bevorzugte Weise möglich, den Stellbolzen 3 durch geeignete Krafteinleitungen in die Steuerscheibe 16 in Richtung der Kolbenmittenachse zu verschieben, so dass der Stellbolzen 3 entriegelt ist, und darüber hinaus in eine Drehbewegung zu versetzen.
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In 2 ist das Verstellsystem des Kolbens 1 mit Kolbenhubverstellung in verriegeltem Zustand dargestellt. Sowohl der Stell- 3 als auch der Kolbenbolzen 2 können somit in diesem Zustand nicht verdreht werden. Der Stellbolzen 3 ist hierzu derart angeordnet, dass sich sein Zahnwellenprofil 14 sowohl mit dem Innenzahnprofil 15 der Zahnwellenhülse 4 als auch mit dem im Inneren des Kolbenbolzens 2 angeordneten Zahnwellenprofil 9 im Eingriff befindet. Da die Zahnwellenhülse 4 darüber hinaus über ihren Außenumfang formschlüssig mit dem Zahnwellenprofil 6 im Bolzenauge 5 des Kolbens verbunden ist, sind sowohl der Stellbolzen 3 als auch der Kolbenbolzen 2 zuverlässig gegenüber dem Kolben 1 arretiert. Im Inneren des Kolbenbolzens 2 ist ferner eine Druckfeder 18 vorgesehen ist, die zwischen einer Federanschlaghülse 19 und dem Stellbolzen 3 eingespannt ist. Im Verriegelungszustand ist die radial nach außen gerichtete Federkraft der Druckfeder 18 größer als eine von außen auf den Stellbolzen 3 einwirkende, in Richtung der Kolbenmittenachse gerichtete Kraft. Sofern eine Verstellung des Kolbenbolzens 2 nicht gewünscht ist, wird der Stellbolzen 3 mit Hilfe der Druckfeder 18 in axialer Richtung nach außen in den verriegelten Zustand verschoben. Selbst bei einem Ausfall oder einer Störung des Verstellsystems wird durch das Vorsehen der Druckfeder 18 sicher gestellt, dass der Stellbolzen 3 in die Verriegelungsstellung überführt und eine unerwünschte oder unkontrollierte Verdrehung des Kolbenbolzens 2 sowie die damit verbundene Kolbenhubverstellung vermieden wird.
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3 zeigt das Verriegelungssystem im Entriegelungszustand, so dass der Kolbenbolzen 2 drehbar ist. Zum Entriegeln des Stellbolzens 3 wird dieser durch eine von außen mit Hilfe eines Aktuators auf die Steuerscheibe 16 übertragene Kraft in Richtung der Kolbenmittenachse verschoben. Aufgrund dieser Verschiebung wird die Verbindung zwischen dem Innenzahnprofil 15 der Zahnwellenhülse 4 und dem Zahnwellenprofil 14 des Stellbolzens 3 gelöst. Wird nunmehr zusätzlich eine Drehbewegung auf den Stellbolzen 3 übertragen, wird über die formschlüssige Verbindung zwischen dem Zahnwellenprofil 14 des Stellbolzens 3 und dem Zahnwellenprofil 9 im Inneren des Kolbenbolzens 2 auch der Kolbenbolzen 2 in eine Drehbewegung versetzt und so der Kolbenhub verstellt.
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Die Kraft, die in diesem Entriegelungszustand von außen über den Stellbolzen in Richtung der Kolbenmittenachse wirkt ist größer als die radial nach außen wirkende Federkraft der Druckfeder 18. Sobald keine Kraft von außen auf den Stellbolzen 3 wirkt, insbesondere weil keine weitere Verstellung des Kolbenhubs gewünscht ist, wird der Stellbolzen 3 von der Druckfeder 18 wieder in den verriegelten Zustand in die Zahnwellenhülse 4 verschoben.
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Durch das Vorsehen der Druckfeder 18, die einer von außen auf den Stellbolzen 3 einwirkenden Kraft entgegen wirkt, wird in jedem Fall, insbesondere auch bei Ausfall Verstellsystems, sicher gestellt, dass der Kolbenbolzens 2 nicht ungewollt entriegelt wird und damit eine ungeplante Verstellung des Kolbenhubes erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenbolzen
- 3
- Stellbolzen
- 4
- Zahnwellenhülse
- 5
- Bolzenauge
- 6
- Zahnwellenprofil
- 7
- Endbereich
- 8
- Mittenbereich
- 9
- Zahnwellenprofil
- 10
- Kolbenschaft
- 11
- Kolbenringzonge
- 12
- Kolbennoden
- 13
- Feuersteg
- 14
- Zahnwellenprofil
- 15
- Innenzahnprofil
- 16
- Steuerscheibe
- 17
- Stufenhülse
- 18
- Druckfeder
- 19
- Federanschlaghülse
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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]
