DE102012007465B4

DE102012007465B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012007465B4
Application number: DE102012007465.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brendel; Markus Meyer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2032-04-14
Also published as: US9556803B2; DE102012007465A1; CN104379902A; CN104379902B; EP2850302A2; US20150330314A1; WO2013152857A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem in einem Zylinder (2) über einen maximalen Hub (h) axial verschieblich gelagerten Kolben (3) und mit einer Pleueleinrichtung (4) zur Verstellung der Verdichtung der Brennkraftmaschine (1), wobei die Pleueleinrichtung (4) einen Querhebel (6) aufweist, der einendig durch ein erstes Gelenk (P2) mit einem an dem Kolben (3) gelenkig angeordneten Pleuel (7) und anderendig durch ein zweites Gelenk (P4) mit einem betätigbaren Steuerhebel (8) verbunden ist, wobei der Steuerhebel (8) um ein drittes Gelenk (P5) verschwenkbar angeordnet ist, und wobei der Querhebel (6) zwischen dem ersten Gelenk (P2) und dem zweiten Gelenk (P4) durch ein viertes Gelenk (P3) mit einem beabstandet zu einer Rotationsachse (10) einer Kurbelwelle (5) der Brennkraftmaschine (1) liegenden Hubzapfen (9) der Kurbelwelle (5) verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass der seitliche Abstand (x) zwischen der Rotationsachse (10) und der Kurbelwelle (5) und dem dritten Gelenk (P5) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens –1,0, insbesondere –1,23 oder –1,78 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem in einem Zylinder über einen maximalen Hub axial verschieblich gelagerten Kolben und mit einer Pleueleinrichtung zur Verstellung der Verdichtung der Brennkraftmaschine, wobei die Pleueleinrichtung einen Querhebel aufweist, der einendig durch ein erstes Gelenk mit einem an dem Kolben gelenkig angeordneten Pleuel und anderendig durch ein zweites Gelenk mit einem betätigbaren Steuerhebel verbunden ist, wobei der Steuerhebel um ein drittes Gelenk verschwenkbar angeordnet ist, und wobei der Querhebel zwischen dem ersten Gelenk und dem zweiten Gelenk durch ein drittes Gelenk mit einem beabstandet zu einer Rotationsachse einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine liegenden Hubzapfen der Kurbelwelle verbunden ist.
Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die europäische Patentschrift EP 1 307 642 B1 eine Brennkraftmaschine mit variablen Verdichtungsverhältnis, die eine Pleueleinrichtung aufweist, mit welcher es möglich ist, die Verdichtung der Brennkraftmaschine im Betrieb zu verstellen. Dazu ist ein Querhebel vorgesehen, dessen eines Ende mittels des Steuerhebels in seiner Position verlagerbar ist, und dessen anderes Ende mit dem Pleuel des Kolbens verbunden ist. Die zwischen Pleuel und Steuerhebel an dem Querhebel angreifende Kurbelwelle führt die übliche Bewegung aus, die zu einer translatorischen beziehungsweise oszillierenden Verlagerung des Kolbens in dem Zylinder führt. Durch Betätigen des Steuerhebels werden die Winkelverhältnisse derart geändert, dass sich der Hub des Kolbens in dem Zylinder verändert, wodurch die in dem Zylinder erfolgende Kompression beziehungsweise Verdichtung variiert wird. In der Patentschrift sind neun Parameter der Pleueleinrichtung mit dem Ziel definiert, die geringsten Belastungen auf einzelne Glieder und damit eine optimale Laufruhe zu erhalten. Hierzu werden verschiedene Bedingungen für die Abstände der unterschiedlichen Gelenke zueinander in Bezug auf den Kurbelwellenradius vorgegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf die Gelenke wirkenden Kräfte und damit die darin wirkende Reibung weiter zu verringern, um die mechanischen Wirkungsgradverluste der Brennkraftmaschine zu verringern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie hat den Vorteil, dass durch die besondere Anordnung der Gelenke, insbesondere des Schwenkgelenks des Steuerhebels bezüglich der Rotationsachse der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, der Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird. Durch die große Entfernung des dritten Gelenks von der Rotationsachse werden die Schwenkwinkel der Pleueleinrichtung verringert und dadurch die Reibung reduziert. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der seitliche Abstand zwischen der Rotationsachse der Kurbelwelle und dem dritten Gelenk im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens –1,0, insbesondere –1,23 oder –1,78 beträgt. Unter dem seitlichen Abstand ist hierbei der Abstand von der Schwenkachse zur Rotationsachse, gemessen senkrecht zur Hubachse des Zylinderkolbens, zu verstehen. Während der Abstand zwischen der Rotationsachse und der Hubachse des Kolbens sowie zwischen dem ersten Gelenk und der Rotationsachse mit einem positiven Wert behaftet ist, ist der seitliche Abstand zwischen der Rotationsachse und dem dritten Gelenk, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse befindet, mit einem negativen Wert behaftet. Die Rotationsachse wird insofern als Null-Punkt verstanden. Aufgrund des großen Abstands des dritten Gelenks zu der Rotationsachse werden, wie bereits erwähnt, die Schwenkwinkel verringert und dadurch die Reibung reduziert, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine führt.
Vorzugsweise beträgt der Kurbelwellenradius, also der Abstand von der Rotationsachse der Kurbelwelle zur exzentrischen Rotationsachse des Hubzapfens im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 0,3, insbesondere 0,34 oder 0,37.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der horizontale Abstand beziehungsweise Versatz zwischen der Rotationsachse der Kurbelwelle und dem dritten Gelenk beziehungsweise dessen Schwenkachse im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens –0,6, insbesondere –0,65 beträgt.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem zweiten Gelenk und dem dritten Gelenk im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 1,2, insbesondere 1,27 oder 1,74.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem zweiten und dem vierten Gelenk im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 1,3, insbesondere 1,32 oder 1,64 beträgt.
Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem vierten Gelenk im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 0,5, insbesondere 0,57 oder 0,62 beträgt.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Kolben(-Gelenk) und dem ersten Gelenk im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 1,5, insbesondere 1,57 oder 1,75 beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schränkung, also der seitliche Versatz zwischen der Rotationsachse der Kurbelwelle und der Zylinderachse, im Verhältnis zum maximalen Hub des Kolbens mindestens 0,38, insbesondere 0,41 oder 0,47 beträgt.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der maximale Hub des Kolbens mindestens 84 mm, insbesondere 92,8 mm beträgt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine Brennkraftmaschine mit einer Pleueleinrichtung zur Verstellung der Verdichtung in einer vereinfachten Darstellung,
2 Schwenkwinkelverläufe des Pleuelgetriebes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 Schwenkwinkelverläufe des Pleuelgetriebes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 Vergleich der Schwenkwinkelbereiche der Ausführungsbeispiele und
5 einen Vergleich der in den Gelenken entstehenden Reibmomente beider Ausführungsbeispiele.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, die einen in einem Zylinder 2 axial verschieblich gelagerten Kolben 3 aufweist. Der Kolben 3 ist über eine Pleueleinrichtung 4 mit einer Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 1 verbunden und kann über einen maximalen Hub h in dem Zylinder 2 verschoben werden.
Die Pleueleinrichtung 4 umfasst einen Querhebel 6, der an einem Ende mittels eines ersten Gelenks P2 mit einem an dem Kolben 3 durch ein Gelenk P1 befestigtes Pleuel 7 verbunden ist. Anderendig ist der Querhebel 6 durch ein zweites Gelenk P4 mit einem Steuerhebel 8 verbunden. Der Steuerhebel 8 ist wiederum mittels eines dritten Gelenks P5 beabstandet zu dem Gelenk P4 verschwenkbar beispielsweise an ein Gehäuse der Brennkraftmaschine 1 gehalten. Dem Steuerhebel 8 ist ein nicht dargestellter Aktor zugeordnet, um den Steuerhebel 8 um einen gewünschten Winkel um das Gelenk P5 herum zu verschwenken. Zwischen den Gelenken P4 und P2 ist der Querhebel 6 durch ein viertes Gelenk P3 mit der Kurbelwelle 5 verbunden. Dabei ist das Gelenk P3 mit dem Hubzapfen 9 verbunden, der beabstandet zur Rotationsachse 10 der Kurbelwelle 5 an dieser angeordnet ist.
Im Betrieb rotiert die Kurbelwelle 5, wie durch einen Pfeil 11 angedeutet, wodurch der Kolben 3 translatorisch in dem Zylinder 2 hin und herbewegt wird. Durch Betätigen beziehungsweise Verschwenken des Steuerhebels 8 um das Gelenk P5 werden die Winkelverhältnisse derart geändert, dass sich der Hub des Kolbens 3 in dem Zylinder verändert, wodurch das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 1 variiert wird. Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 zu optimieren, insbesondere in Bezug auf den mechanischen Wirkungsgrad, ist vorgesehen, dass ein besonders großer seitlicher Abstand zwischen dem Gelenk P5 und der Rotationsachse 10 der Kurbelwelle 5 vorliegt. Ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung von einem Abstand zu einem Gelenk die Rede, so wird stets auf die jeweilige Schwenkachse des entsprechenden Gelenks Bezug genommen.
Um möglichst geringe Reibkräfte in den Gelenken P1 bis P5 zu erreichen, werden vorteilhafterweise große Getriebegliederabmessungen der Pleueleinrichtung 4 bezogen auf den Kolbenhub gewählt. Dies führt bei gleichem Kolbenhub zu kleineren Schwenkwinkeln der Gelenke P1 bis P5 und somit zu einer verringerten Reibung. Der entstehende Bauraumnachteil kann beispielsweise durch ein gekrümmtes Pleuel 7 oder einen gekrümmten Querhebel 6, wie dargestellt, und die dadurch mögliche verbesserte Verschachtelung von Kurbeltrieb und Nebenaggregaten kompensiert werden. Die größeren Getriebeglieder erzeugen bei hohen Drehzahlen zwar erhöhte Massenkräfte, jedoch überwiegen selbst bei hohen Drehzahlen die Verringerung des Schwenkwinkels und damit die Reduzierung der Reibung die zunehmenden Massenkräfte.
Gemäß einem ersten vorteilhaften Ausführungsbeispiel A ist vorgesehen, dass der seitliche Abstand x zwischen der Rotationsachse 10 der Kurbelwelle 5 und dem dritten Gelenk P5 im Verhältnis zum maximalen Hub h des Kolbens 3 –1,23 beträgt (x/h = –1,23). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei von einem maximalen Kolbenhub von h = 92,8 mm ausgegangen. Ferner beträgt der horizontale Abstand y zwischen der Rotationsachse 10 und dem dritten Gelenk P5 im Verhältnis zum Kolbenhub h –0,65 (y/h = –0,65). Weiterhin ist vorgesehen, dass der Kurbelwellenradius r im Verhältnis zum maximalen Hub h des Kolbens 3 0,34 (r/h = 0,34) beträgt. Der Abstand a zwischen den Gelenken P5 und P4 im Verhältnis zu dem maximalen Hub h des Kolbens 3 beträgt 1,27 (a/h = 1,27). Der Abstand b zwischen den Gelenken P3 und P4 beträgt im Verhältnis zu dem maximalen Hub h 1,32 (b/h = 1,32). Der Abstand c zwischen den Gelenken P2 und P3 beträgt im Verhältnis zu dem maximalen Hub h 0,57 (c/h = 0,57). Ferner beträgt der Abstand d zwischen den Gelenken P1 und P2 im Verhältnis zu dem maximalen Hub h 1,57 (d/h = 1,57). Die Schränkung s beträgt im Verhältnis zu dem maximalen Hub h des Kolbens 0,41 (s/h = 0,41).
Durch die beschriebenen Größenverhältnisse wird eine reduzierte Reibung und damit ein höherer Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 auf einfache Art und Weise erreicht. 2 zeigt hierzu die Schwenkwinkel α der Gelenke P1, P2, P4 und P5 über den Kurbelwellendrehwinkel β. In 1 ist zur Erläuterung der Schwenkwinkel α_P4 des Gellenks P4 beispielhaft gezeigt.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel B wird insbesondere der seitliche Abstand zwischen dem Gelenk P5 und der Rotationsachse 10 bei gleichbleibendem Hub h vergrößert. Dabei ergeben sich gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel für die oben genannten Parameter die folgenden Werte: Der seitliche Abstand x zwischen dem dritten Gelenk Pb und der Rotationsachse 10 bezogen auf den Hub h beträgt –1,78. Der Abstand y bleibt gleich. Der Kurbelradius r, also der Abstand zwischen der Rotationsachse 11 und des Exzenterabschnitts 9 beträgt 0,37. Die Schränkung s beträgt bezogen auf den Hub h 0,47. Weiterhin gilt a/h = 1,74, b/h = 1,64, c/h = 0,62 und d/h = 1,75.
3 zeigt analog zu 2 die resultierenden Schwenkwinkel α des zweiten Ausführungsbeispiels über den Kurbelwellendrehwinkel β. Der Vergleich zu 2 zeigt, dass sich die Schwenkwinkel der Gelenke P1, P2, P3 und P5 verändert haben.
4 zeigt in einem Vergleich des ersten Ausführungsbeispiels A mit dem zweiten Ausführungsbeispiel B die Schwenkwinkelbereiche der Gelenke P1, P2, P4 und P5.
Bei Anwendung des Coulombschen Reibmodells und unter der Annahme, dass bei beiden Ausführungsbeispielen A und B identische Gelenkkräfte auftreten, wie sie unter Gaskraft bei kleinen Drehzahlen vorliegen, erzeugt der kleinere Schwenkwinkelbereich der Pleueleinrichtung gemäß Ausführungsbeispiel B deutlich kleinere Reibmomente, wie in 5 dargestellt, welcher die Reibmomente der Gelenke P1, P2, P4 und P5 für die beiden Ausführungsbeispiel A und B zeigt. Die Mehrgelenkskinematik der Pleueleinrichtung 4, die in den oszillierenden Schwenklagern beziehungsweise Gelenken P1 bis P5 aufgrund der oben gewählten Werte reibungsoptimal ausgelegt ist, führt somit zu kleinen Schwenkwinkeln und somit hin zu einem optimierten beziehungsweise reduzierten Reibungsverhalten in den Gelenken P1 bis P5.
Beide Ausführungsbeispiele A und B führen somit zu einem optimierten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1. Das Ausführungsbeispiel B führt dabei zu noch weiter verringerten Reibkräften in den Gelenken im Vergleich zum Ausführungsbeispiel A.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinder
3: Kolben
4: Pleueleinrichtung
5: Kurbelwelle
6: Querbalken
7: Pleuel
8: Steuerhebel
9: Hubzapfen
10: Rotationsachse
11: Pfeil
a: Abstand
b: Abstand
c: Abstand
d: Abstand
x: Abstand
y: Abstand
r: Abstand
h: maximaler Hub

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem in einem Zylinder (2) über einen maximalen Hub (h) axial verschieblich gelagerten Kolben (3) und mit einer Pleueleinrichtung (4) zur Verstellung der Verdichtung der Brennkraftmaschine (1), wobei die Pleueleinrichtung (4) einen Querhebel (6) aufweist, der einendig durch ein erstes Gelenk (P2) mit einem an dem Kolben (3) gelenkig angeordneten Pleuel (7) und anderendig durch ein zweites Gelenk (P4) mit einem betätigbaren Steuerhebel (8) verbunden ist, wobei der Steuerhebel (8) um ein drittes Gelenk (P5) verschwenkbar angeordnet ist, und wobei der Querhebel (6) zwischen dem ersten Gelenk (P2) und dem zweiten Gelenk (P4) durch ein viertes Gelenk (P3) mit einem beabstandet zu einer Rotationsachse (10) einer Kurbelwelle (5) der Brennkraftmaschine (1) liegenden Hubzapfen (9) der Kurbelwelle (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Abstand (x) zwischen der Rotationsachse (10) der Kurbelwelle (5) und dem dritten Gelenk (P5) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens –1,0, insbesondere –1,23 oder –1,78 beträgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (r) des Exzenterabschnitts (9) zu der Rotationsachse (10) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 0,3, insbesondere 0,34 oder 0,37 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale Abstand (y) zwischen der Rotationsachse (10) und dem dritten Gelenk (P5) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens –0,6, insbesondere –0,65 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem zweiten Gelenk (P4) und dem dritten Gelenk (P5) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 1,2, insbesondere 1,27 oder 1,74 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) zwischen dem vierten Gelenk (P3) und dem zweiten Gelenk (P4) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 1,3, insbesondere 1,32 oder 1,64 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (c) zwischen dem ersten Gelenk (P2) und dem vierten Gelenk (P3) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 0,5, insbesondere 0,57 oder 0,62 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem ersten Gelenk (P2) und dem Kolben (3) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 1,5, insbesondere 1,57 oder 1,75 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schränkung (s) im Verhältnis zum maximalen Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 0,3, insbesondere 0,41 oder 0,47 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Hub (h) des Kolbens (3) mindestens 84 mm, insbesondere 92,8 mm beträgt.