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Die Erfindung betrifft einen Pleuelverbund gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 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, einen Pleuelverbund eines Kolbens mit veränderbarem Kolbenhub derart weiterzubilden, dass die Reibung und Verschleißerscheinungen in der Pleuellagerung minimiert werden. Die anzugebende technischen Lösung soll sich hierbei mit verhältnismäßig einfachen Mitteln und ohne dass größere Anpassungen der Kolbenbolzenlagerung erforderlich sind, in herkömmliche Brennkraftmaschinen integrieren lassen. Insbesondere soll der Pleuelverbund platzsparend ausgeführt sein und keine nachteiligen Auswirkungen auf die Hubverstellung des Kolbens haben.
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Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Pleuelverbund 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 ein Pleuelverbund mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen technischen Merkmalen derart weitergebildet worden, dass das obere Pleuellager eine schwimmende Lagerbuchse aufweist, die beidseitig mit einem Schmiermittel versorgbar ist.
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Erfindungsgemäß ist somit der Einsatz einer doppelt schwimmenden Lagerbuchse. Mit Hilfe eines derartigen Pleuelverbundes wird auf bevorzugte Weise eine zuverlässige und verschleißarme Lagerung eines Kolbenbolzens in einem Hubkolbenmotor mit verstellbarem Kolbenhub realisiert. Um den Kolbenhub verändern zu können, ist der Kolbenbolzen in derartigen Motoren einerseits drehbar gelagert und andererseits arretierbar, um ein Verdrehen in Abhängigkeit des Betriebszustandes gezielt verhindern zu können. Da der Kolbenbolzen derartiger Systeme zumindest zeitweise feststeht, bietet der erfindungsgemäße Pleuelverbund erhebliche Vorteile in Bezug auf die Betriebssicherheit und die Beständigkeit einer Kolbenbolzenlagerung mit veränderbarem Kolbenhub. Insbesondere wird die Reibung und somit der Verschleiß innerhalb des Pleuellagers erheblich reduziert. Die schwimmende Anordnung der Lagerbuchse gewährleistet auf geeignete Weise ein leichtes Spiel, so dass sich die Buchse in axialer Richtung bewegen kann. Gemäß einer bevorzugten Gestaltung ist eine Anschlaghülse vorgesehen, die den Kolbenbolzen umgibt und die Bewegung der Lagerbuchse in axialer Richtung begrenzt.
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Vorzugsweise verfügt die Lagerbuchse über wenigstens eine Durchgangsbohrung, durch die ein Schmiermittel vom Pleuel zum Kolbenbolzen geleitet wird. Hierbei gelangt das Schmiermittel aus einer mit einer Bohrung innerhalb des Pleuelschaftes verbundenen Öffnung in die Durchgangsbohrung. Bei den Durchgangsbohrungen handelt es sich somit in besonderer Weise um Schmiermittelversorgungsstellen zur Förderung eines Schmiermittels, insbesondere eines Öls, vom Pleuel zum Kolbenbolzen. Aufgrund der Ölversorgung wird sicher gestellt, dass die Reibung innerhalb des Pleuellagers minimiert wird. Üblicherweise ist hier während des Betriebs des Motors und der Bewegung des Kolbens von einer Mischreibung auszugehen, so dass die Schmierspalte und die Durchflussmenge des Schmiermittels auf geeignete Weise entsprechend groß gewählt werden.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung lässt sich mit einfachen Mitteln in herkömmliche Brennkraftmaschinen integrieren, vor allem ohne dass nennenswerte Anpassungen erforderlich sind. in diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Kolbenhubverstellung entweder mit Hilfe eines Exzenterkolbenbolzens oder eines Exzenterelements, das einen herkömmlichen Kolbenbolzen umgibt und dessen Längsmittenachse bedarfsgerecht verstellt, realisiert wird.
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In einer speziellen Ausführungsform verfügt die Lagerbuchse über einen bronzehaltigen Werkstoff. Ferner ist vorzugsweise ein Stahlmantel vorgesehen, auf den mittels eines Sinterverfahrens eine Bronze aufgebracht wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Teilschnittdarstellung eines Kolbens mit veränderbarem Kolbenhub sowie
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2 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten Pleuelverbunds.
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1 zeigt die Lagerung eines Kolbens 1 an einem Pleuel 3, über das der Kolben 1 mit einer Kurbelwelle verbunden wird. Der Pleuel 3 verfügt über ein unteres Pleuellager am Pleuelfuß, das mit einem Hubzapfen der Kurbelwelle verbindbar ist. der Pleuelfuß ist hierbei zweiteilig ausgeführt und verfügt über Lagerschalen 9, die in den Pleuelfuß eingesetzt sind. Am oberen Ende des Pleuelschaftes ist das obere Pleuellager 3 vorgesehen, über das das Pleuel mit dem Kolbenbolzen 8 des Kolbens 1 verbunden ist. Das obere Pleuellager verfügt über eine im Pleuelauge angeordnete Lagerhülse 7. Über die Lagerhülse 7 ist der Pleuel 3 schwimmend am Kolbenbolzen 8 gelagert.
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In der Teilschnittdarstellung „A” der 1 ist ein Kolben 1 mit einem Kolbenbolzen 8 und einer Kolbenbolzenlagerung 4 gezeigt, der über eine Pleuellagerung mit einem Pleuel 3 verbindbar ist. Der dargestellte Kolben 1 umfasst einen Kolbenschaft 14, in dessen Bereich gegenüberliegend zwei Bolzenaugen 16 vorgesehen sind, die der Aufnahme des Kolbenbolzens 8 dienen. Oberhalb des Kolbenschaftes 14 schließt sich die Kolbenringzone 13 an, in der mehrere Kolbenringe (nicht dargestellt) in Nuten fixiert angeordnet werden. Die Kolbenringzone 13 ist hierbei zum Kolbenboden 11 durch den Feuersteg 12 abgegrenzt. Der Kolbenboden 11 steht in Kontakt mit dem Brennraum des zugeordneten Zylinders eines Hubkolbenmotors, der hier ebenfalls nicht dargestellt ist.
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Der in 1 dargestellte Kolbenbolzen 8 ist drehbar gelagert, wobei dieser derart ausgeführt ist, dass die Längsmittenachse des Kolbenbolzens 8 bei einer Drehung verschiebbar ist. Hierbei wird ein Abstand zwischen der Längsmittenachse des Kolbenbolzens 8 und dem Kolbenboden 11 und somit die effektive Länge des Pleuels 3 verändert, so dass auf diese Weise der Hub des Kolbens 1 innerhalb des Zylinders variiert wird.
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Innerhalb des Kolbens 1 ist eine Kolbenbolzenlagerung 4 mit einem Exzenterelement 5 vorgesehen. Das Exzenterelement 5 bildet hierbei eine Lagerschale aus, die exzentrisch zur Kolbenbolzenlagerung 4 ausgebildet ist. Innerhalb der Lagerschale des Exzenterelements 5 ist der Kolbenbolzen 8 derart drehbar gelagert, dass der Abstand der Längsmittenachse des Kolbenbolzens 8 zum Kolbenboden 11 variiert werden kann.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit ein konventionell ausgeführter Kolbenbolzen 8 mit Zylinderform verwendet. Um eine Gewichtseinsparung erzielen zu können, ist im Kolbenbolzen 8 eine Bohrung 2 vorgesehen, so dass dieser zumindest abschnittsweise hohl ist. Ebenso ist es allerdings denkbar, anstelle der Kombination aus konventionellem Kolbenbolzen 8 und Exzenterelement 5 einen Exzenterkolbenbolzen zu verwenden, der derart geformt ist, dass sich bei einer Drehung des Bolzens wiederum die effektive Pleuellänge und somit der Hub des Kolbens 1 verändert. Der erfindungsgemäße Pleuelverbund kann in beiden Fällen eingesetzt werden.
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In 2 ist in einer Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäß ausgeführter Pleuelverbund mit einem Pleuel 3 und einem daran zu befestigenden Kolben 1 dargestellt. Der Pleuel 3 verfügt in bekannter Weise am Pleuelfuß über ein unteres Pleuellager 15 mit zwei Lagerschalen 9. Das Pleuelauge ist zweiteilig ausgeführt, so dass zwischen den beiden Hälften eine Trennfläche 10 gebildet wird.
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Am oberen Ende des Pleuelschaftes ist ein oberes Pleuelauge 6 vorgesehen. Im montierten Zustand befindet sich innerhalb des oberen Pleuelauges 6 eine schwimmend gelagerte Lagerbuchse 7. Gleichzeitig verfügt die Lagerbuchse 7 über Durchgangsbohrungen 19, durch die ein Schmiermittel von einer Innenseite der Lagerbuchse 7 auf eine Außenseite gefordert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite der Lagerhülse 7 im Betrieb in hierfür vorgesehenen Schmierspalten wenigstens abschnittsweise einen Gleitfilm zu erzeugen. Durch das Vorsehen einer entsprechend ausgeführten schwimmenden Lagerbuchse 7 werden die Reibung und damit der reibungsbedingte Verschleiß im Pleuellager 6 erheblich reduziert. Die Durchgangsbohrungen 19 stellen somit Schmiermittelversorgungsstellen dar, über die ein Schmiermittel, insbesondere ein Öl, vom Pleuel 3 zum Kolbenbolzen gefördert wird.
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Um insgesamt eine ausreichende Schmiermittelversorgung des Kolbens 1 und der an diesem vorgesehenen Bauteile zu gewährleisten, ist eine Schmierölversorgung 16 vorgesehen, über die Öl sowohl in den Kolben 1 als auch innerhalb des Kolbens 1 gefördert werden kann.
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Die in 2 dargestellte Lagerbuchse 7 ist doppelt schwimmend gelagert. Zur Begrenzung der axialen Bewegung ist hierbei eine Anschlaghülse 18 vorgesehen, die entsprechende Axialbewegungen einseitig begrenzt. Im montierten Zustand ist die Anschlaghülse 18 innerhalb des Kolbens 1 angeordnet und umgibt den Kolbenbolzen 8.
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Der Kolbenbolzen ist ferner derart drehbar gelagert bzw. ausgeführt, dass durch Drehung des Kolbenbolzens entweder die Lage der Längsmittenachse verändert (zylindrischer Kolbenbolzen mit Exzeterelement) oder die Relativlage zwischen Kolben und Schwerpunkt des Kolbenbolzens (Exzenterkolbenbolzen) verändert wird. Auf diese Weise ist der Hub des Kolbens und somit das Verdichtungsverhältnis gezielt veränderbar. Wird der Kolbenbolzen 8 als Exzenterkolbenbolzen ausgeführt, so ist einerseits ein Stellelement vorgesehen, um den Kolbenbolzen gezielt zu drehen, und andererseits ein Verriegelungselement, um eine ungewünschte Verstellung zuverlässig zu verhindern. In dem Verriegelungszustand ist der im Mittenbereich exzentrisch ausgeführte Kolbenbolzen 8 fest arretiert und kann relativ zum Kolben 1 nicht gedreht werden. In diesem Fall ist der Einsatz eines erfindungsgemäß ausgeführten Pleuelverbundes mit einer doppelten schwimmenden Pleuelbuchse 7 besonders vorteilhaft, um reibungsbedingten Verschleiß im Pleuellager zu minimieren. Hierbei ist besonders wesentlich, dass die Berührungsflächen im Lager 3 stets ausreichend mit Öl als Schmiermittel versorgt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Bohrung
- 3
- Pleuel
- 4
- Kolbenbolzenlager
- 5
- Exzenterelement
- 6
- oberes Pleuellager
- 7
- Lagerhülse
- 8
- Kolbenbolzen
- 9
- Lagerschale
- 10
- Trennfläche
- 11
- Kolbenboden
- 12
- Feuersteg
- 13
- Kolbenringzone
- 14
- Kolbenschaft
- 15
- unteres Pleuellager
- 16
- Bolzenauge
- 17
- Ölschmierung
- 18
- Anschlaghülse
- 19
- Durchgangsbohrung
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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]
