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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus einer Pleuelbaugruppe nach Gattung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 hervor. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Pleuelbaugruppe für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, die unter anderem aus einem Pleuel zur Verbindung zwischen einem Zylinderkolben und einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und einem zylindrischen Pleuellager zur Aufnahme der Kurbelwelle in einer in dem Pleuellager vorgesehenen Aussparung oder Bohrung besteht. Derartige Pleuelbaugruppen kommen herkömmlicherweise bei den meisten Arten von Verbrennungsverfahren bei bekannten Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wobei generelles Ziel einer jeden Weiterentwicklung in diesem Bereich zumeist eine Optimierung des jeweiligen Brennverfahrens umfasst.
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Ein Beispiel für ein derartig optimiertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung in kontrollierter Selbstzündung, ist aus der
DE 10 2007 028 959 A1 bekannt. Dabei wird der Betrieb einer Brennkraftmaschine im homogenen Kompressionszündungsmodus bzw. Homogenous Charge Compression Ignition-Modus (HCCI-Modus) beschrieben, der in der Fachliteratur auch als CAI (Controlled Auto Ignition), ATAC (Active Thermo Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken) bezeichnet wird. Die HCCI-Verbrennung hat gegenüber einer herkömmlichen fremdgezündeten Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und geringerer Schadstoffemissionen. Dabei erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine nicht durch Fremdzündung, sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen, durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur hervorgerufen werden. Voraussetzung für die Selbstzündung ist ein ausreichend hohes Energieniveau im jeweiligen Zylinder, wobei die Einspritzmenge des Einspritzventils von dem Gegendruck innerhalb des Zylinders abhängt. Das in der DE 10 2007 028 959 A1 genannte Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zeigt dabei einen Weg zur automatischen Modellierung des Gegendrucks anhand von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine in Echtzeit, die zur Optimierung des Verbrennungsverfahrens beiträgt. Im HCCI-Modus betreibbare Brennkraftmaschinen bzw. Verfahren zu deren Betrieb sind weiterhin z. B. aus der
US 6,260,520 , der
DE 199 27 479 oder der
WO 98/10179 bekannt.
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Zur weiteren Optimierung der Verbrennungsprozessführung aus thermodynamischer Sicht können weitere Einflussmöglichkeiten auf den Verbrennungsprozess als Stellhebel herangezogen werden, die zum einen durch die Steuerung der Kontrollgrößen der Kraftstoffeinbringung (Kraftstoffmenge, Einspritztiming, Zündungstiming, etc.) und zum andern durch die Steuerung der Brennraumladung anhand der Kontrollgrößen des Luftsystems (Ventilsteuerung, Drosselklappenstellung, AGR-Ventilstellung, usw.) umgesetzt werden können. Eine weitere wichtige Einflussgröße ist dabei das Kompressionsverhältnis in dem Brennraum eines jeden Zylinders, das zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades der Verbrennung möglichst hoch sein soll, zur Erreichung einer möglichst optimalen Verbrennungsstabilität jedoch arbeitspunktabhängig begrenzt sein soll, um ein Klopfen der Brennkraftmaschine zu verhindern. Besonders, aber nicht ausschließlich, im Rahmen des vorhergehend beschriebenen HCCI-Brennverfahrens stellt ein Erzielen eines optimalen, vom Arbeitspunkt abhängigen Kompressionsverhältnisses eine bedeutende und überaus effiziente Einflussmöglichkeit dar, die jedoch aus technischer Sicher nur schwer zu erreichen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Pleuelbaugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat gegenüber der Offenbarung des Stands der Technik den Vorteil, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine das individuelle Kompressionsverhältnis eines jeden Zylinders in gewissen Bereichen variabel gesteuert werden kann. Dadurch kann insbesondere eine signifikante Minderung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine erzielt werden.
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Genauer gesagt wird dieser Vorteil durch eine Pleuelbaugruppe für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine erreicht, die einen Pleuel zur Verbindung zwischen einem Zylinderkolben und einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und ein zylindrisches Pleuellager zur Aufnahme der Kurbelwelle in einer in dem Pleuellager vorgesehenen Aussparung aufweist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Pleuelbaugruppe eine Vorrichtung zur Einstellung eines zylinderindividuellen Kompressionsverhältnisses der Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung einen Reluktanzmotor mit zumindest einem Rotor aufweist. Ein Ende des zumindest einen Rotors ist dabei mit einem Schneckengewinde ausgebildet, das zusammen mit dem Pleuellager wälzt. Ferner ist die Aussparung in dem Pleuellager, die zur Aufnahme der Kurbelwelle vorgesehen ist, exzentrisch angeordnet, um das zylinderindividuelle Kompressionsverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches zu erzielen. Das Pleuellager kann dabei als zylindrische Lagerbuchse aus einem Gleitlagerwerkstoff ausgebildet sein, wie z.B. Messing oder dergleichen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Pleuelbaugruppe möglich. Besonders vorteilhaft kann es sein, dass der Reluktanzmotor ein geschalteter Reluktanzmotor bzw. Switched-Reluctance-Motor ist. Geschaltete Reluktanzmotoren bzw. geschaltete Reluktanzmaschinen haben wie alle Arten von Reluktanzmotoren eine unterschiedliche Anzahl ausgeprägter Zähne an Rotor und Stator, wobei die Statorzähne mit Spulen bewickelt sind, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Zähne mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne des Rotors wie ein Elektromagnet an und werden abgeschaltet, wenn bzw. kurz bevor die Zähne des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen gegenüberstehen. In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen eingeschaltet, die wiederum andere Rotorzähne anziehen. Im Allgemeinen hat ein geschalteter Reluktanzmotor drei oder mehr Phasen, wobei es aber auch Sonderformen mit nur zwei oder nur einer Phase gibt. Um im richtigen Zeitpunkt umzuschalten, wird der Reluktanzmotor in der Regel mit einem Rotorlagegeber versehen. Es gibt aber auch geberlose Steuerverfahren, die auf Basis des Statorstroms oder des Drehmomentes schalten. Geschaltete Reluktanzmotoren zeichnen sich durch hohe Robustheit, einen kostengünstigen Bauaufwand, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe mögliche Drehzahlen und geringe Wartungsnotwendigkeit aus.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist bei der vorhergehend beschriebenen Pleuelbaugruppe das andere Ende des zumindest einen Rotors als Reluktanzmotoranker ausgebildet, der sich im Bereich des unteren Totpunkts der Zylinderkolbenbewegung innerhalb eines Stators des Reluktanzmotors befindet. Dadurch kann eine konstante Ansteuerung bzw. Drehung des zumindest einen Rotors während des unteren Totpunkts des Zylinderkolbens erreicht werden.
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Um die Drehung des Rotors auf das Pleuellager zu übertragen, kann der Außenumfang des Pleuellagers als Zahnkranz ausgebildet sein, der mit dem Schneckengewinde des zumindest einen Rotors in wälzender Beziehung steht. Dadurch kann vorzugsweise eine Drehung des zumindest einen Rotors eine Drehung des Pleuellagers hervorrufen. Durch die exzentrische Lage der Aussparung in dem Pleuellager wird auf diese Weise die Lage der Aussparung entlang der Längsrichtung des Pleuels verändert, wodurch eine Änderung der wirksamen Länge des Pleuels hervorgerufen wird. Diese Änderung der wirksamen Länge des Pleuels hat eine Änderung der Eintauchtiefe des entsprechenden Kolbens in den Brennraum des jeweiligen Zylinders zur Folge, wodurch das Kompressionsverhältnis dieses Zylinders verändert werden kann. Dadurch kann eine Beeinflussung der Verbrennungsprozessführung erreicht werden, wie es vorhergehend bereits angesprochen wurde. Die Wahl der Gewindesteigung des Schneckengetriebes verhindert durch die Eigenschaft der Selbsthemmung ein Verdrehen des Pleuellagers durch die Kolbenkräfte.
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Als weitere bevorzugte Ausführung weist die Pleuelbaugruppe des Weiteren ein Leistungselektroniksystem und zumindest eine Messeinrichtung auf, wobei eine Steuereinheit des Leistungselektroniksystems die Steuerung des Reluktanzmotors durch eine Leistungselektronikeinheit abhängig von Eingabewerten steuert. Eine derartige Messeinrichtung kann jede Art von Sensor sein, so zum Beispiel ein Motordrehzahlsensor, ein Kurbelwellenwinkelsensor oder Kurbelsensor, ein Brennraumdrucksensor und/oder ein Pleuellängensensor. Eingabewerte, auf deren Basis die Steuerung durchgeführt wird, können demnach Messwerte wie z.B. die Motordrehzahl, der Kurbelwellenwinkel, ein Brennraumdruck und/oder eine bereits erfolgte Änderung der wirksamen Pleuellänge sein, sowie eine vorgegebene Verstellvorgabe als Vorgabewert. Durch eine derartige Leistungselektronik wird eine automatische Anpassung der wirksamen Pleuellänge an den jeweiligen Arbeitspunkt gesteuert, um eine optimale Verbrennungsprozessführung zu erreichen.
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Weiter vorzugsweise kann das Pleuellager geteilt aufgebaut und vorzugsweise verschraubbar sein, z.B. anhand zweier aneinanderpassender Zylinderhälften, die miteinander verschraubt werden können. Der Pleuelkopf des Pleuels kann entsprechend ebenfalls geteilt aufgebaut sein, z.B. durch zwei Hälften, die miteinander verschraubt werden können. Durch einen derartigen geteilten Aufbau des Pleuellagers sowie des Pleuelkopfs ist es möglich, dass das Pleuel mitsamt Pleuellager einen Hubzapfen der Kurbelwelle aufnimmt und diesen vollständig fest umschließt. Es sind jedoch auch andere Ausfertigungen möglich, wie z.B. eine Aufteilung des Pleuelkopfs bzw. des Pleuellagers auf mehr als zwei Komponenten. Weiterhin ist es denkbar, anstelle einer Verschraubung der jeweiligen Komponenten eine andere Art der Verbindung umzusetzen, wie z.B. Verschweißen oder dergleichen.
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In einer speziellen bevorzugten Ausführung weist der Reluktanzmotor zwei Rotoren nach dem oben beschriebenen Vorbild auf, die bezüglich des Pleuellagers gegenüberliegend angeordnet sind. Bei jedem der beiden Rotoren ist ein Ende mit einem Schneckengewinde ausgebildet, das mit dem Pleuellager wälzen kann. Bei dieser Ausführung weist das andere Ende eines jeden Rotors ein Zahnrad auf, das jeweils als Umlenkkomponente für einen Zahnriemen dient. Der Zahnriemen verbindet dabei die beiden Zahnräder und sorgt für eine gemeinsame Drehung der beiden Rotoren. Vorteilhaft dabei ist, dass die Kraft zur Drehung des Pleuellagers nicht nur durch einen Rotor und damit ein Schneckengewinde, sondern durch zwei Rotoren, also durch zwei Schneckengewinde übertragen wird, wodurch eine erhöhte Dauerfestigkeit des einzelnen Rotors erreicht werden kann. Vorzugsweise sind dabei die Gewindesteigungen der Schneckengewinde der beiden Rotoren spiegelsymmetrisch ausgebildet. Vorteilhaft bei einer derartigen Anordnung der einzelnen Bauteile der Pleuelbaugruppe ist, dass das dadurch erreichte Schneckengetriebe bestehend aus zwei Schneckenrädern (Rotoren mit Schneckengewinden) und einem Zahnkranz eine selbstblockierende Eigenschaft aufweist, die ausschließlich eine aktive Verstellung des Reluktanzmotors und damit ausschließlich eine aktive Drehung des Pleuellagers zulässt. Eine versehentliche oder rückläufige Verstellung bzw. Drehung des Pleuellagers kann dadurch verhindert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung der Pleuelbaugruppe mit zwei Rotoren ist der Zahnriemen oder die Kette so mit Quaderelementen aus Eisenmaterial bestückt, dass die Profilkontur des Zahnriemens oder der Kette als Abwicklung eines Reluktanzmotorankers in der Form des Ankers eines SR-(Switched Reluctance)-Linearantriebs ausgebildet wird, um eine über die Länge des Zahnriemens konstante Ansteuerung zu erreichen. Weiter vorzugsweise wird hier der Zahnriemen bzw. jedes einzelne Kettenglied oder der Kettenstrang, in den die Kettenglieder eingebunden sind und der die Kettenglieder miteinander verbindet, mit einer Feder bzw. einem hervorstehenden Element versehen, wobei jede Feder oder jedes hervorstehende Element in einer dafür vorgesehenen Nut läuft oder geführt wird. Die Aufnahme der Nut kann dabei durch den Pleuelkopf selbst, genauer gesagt an der zu dem Zahnriemen hin ausgerichteten Fläche des Pleuelkopfs ausgebildet sein, kann aber auch durch eine zusätzliche Einrichtung ausgebildet werden, z.B. eine Führungsnuteinrichtung, die an dem Pleuelkopf, genauer gesagt an der zu dem Zahnriemen hin ausgerichteten Fläche des Pleuelkopfs angeordnet sein kann. Dadurch kann ein Versatz des Zahnriemens durch die Anziehung der einzelnen Kettenglieder in Richtung hin zu den Statorpolen des Stators verhindert werden und eine ungestörte Führung des Zahnriemens erreicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pleuelbaugruppe ohne Stator;
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2 eine Seitenansicht eines Pleuelkopfs eines Pleuels der in 1 gezeigten Pleuelbaugruppe zum Zeitpunkt des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung;
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3 eine Draufsicht der Rotor-Stator-Kombination der in 2 gezeigten Pleuelbaugruppe; und
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4 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik zur Steuerung des geschalteten Reluktanzmotors der erfindungsgemäßen Pleuelbaugruppe.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt in einer Schnittansicht einen Teil einer Pleuelbaugruppe gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Genauer gesagt ist ein Pleuel 1 mit Pleuelfuß 11 und Pleuelkopf 12, ein Pleuellager 2, zwei Rotoren 3 sowie ein Zahnriemen 4 der Pleuelbaugruppe in 1 zu sehen. Im eingebauten Zustand ist in einer Durchgangsbohrung 111 in dem Pleuelfuß 11, der auch als kleines Pleuelauge bezeichnet wird und sich in 1 oben befindet, ein Kolbenbolzen des zu betätigenden Zylinderkolbens (nicht gezeigt) gelagert. Der Pleuelfuß geht in den Pleuelschaft des Pleuels 1 über, der wie bei herkömmlichen Pleuelstangen mit einem Doppel-T-Querschnitt ausgeführt ist. Es ist aber auch jeder andere denkbare Querschnitt des Pleuelschafts denkbar, solange eine gewisse Stabilität erreicht wird. Der Pleuelschaft geht anschließend weiter in dem Pleuelkopf 12 über, der auch als großes Pleuelauge bezeichnet wird und sich in 1 unten befindet. Der Pleuelkopf 12 weist bei dieser Ausführungsform eine zentrale Durchgangsbohrung 121 auf und besteht vorzugsweise aus zwei Teilen, die miteinander verschraubt werden können, wie es auch von herkömmlichen Pleuelstangen bekannt ist. Der Pleuelkopf 12 hat bei dieser Ausführungsform eine rechteckige Gestalt, wie es 1 zu entnehmen ist, kann aber alternativ dazu jede andere passende Form aufweisen, z.B. eine abgerundete Form, wie es von herkömmlichen Pleuelstangen bekannt ist.
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In der Durchgangsbohrung 121 des Pleuelkopfs 12 ist das Pleuellager 2 angeordnet, das in dieser Ausführungsform aus einem Gleitlagerwerkstoff hergestellt ist, wie z.B. Messing oder dergleichen. Das Pleuellager 2 besteht ähnlich wie der Pleuelkopf 12 aus zwei Teilen, die miteinander verschraubt werden können. Durch diesen zweiteiligen Aufbau des Pleuelkopfs 12 und des Pleuellagers 2 ist es möglich, das Pleuel 1 an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine zu befestigen. Es ist hier auch denkbar, den Pleuelkopf 12 und/oder das Pleuellager 2 aus mehr als zwei Teilen aufzubauen, wobei auch eine andere Verbindungsart der einzelnen Teile miteinander anstelle der Verschraubung denkbar ist, wie z.B. ein Verschweißen der Teile oder dergleichen, solange dabei eine feste Verbindung zwischen den Teilen entsteht, die eine stabile Verbindung zwischen Pleuel 1 und Kurbelwelle sicherstellt. Das Pleuellager 2 weist in dieser Ausführungsform einen Zahnkranz 22 bzw. einen Zahnradring 22 mit Außenverzahnung an dessen Außenumfang auf. Des Weiteren ist in dem Pleuellager 2 eine Aussparung 21 in Form einer Durchgangsbohrung durch das Pleuellager 2 vorgesehen, in der im Betrieb ein Hubzapfen der Kurbelwelle (nicht gezeigt) aufgenommen ist. Die Aussparung 21 verläuft parallel zu der in dem Pleuelkopf 12 vorgesehenen Durchgangsbohrung 121, wobei eine Längsachse bzw. Mittelachse der Aussparung 21 zu einer Längsachse bzw. Mittelachse der Durchgangsbohrung 121 versetzt angeordnet ist, so dass die Aussparung 21 in dem Pleuellager 2 exzentrisch zu der Durchgangsbohrung 121 in dem Pleuelkopf 12 ausgerichtet bzw. angeordnet ist.
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In 1 ist weiterhin ein Teil eines geschalteten Reluktanzmotors der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pleuelbaugruppe gezeigt, nämlich die beiden Rotoren 3, 3 sowie der Zahnriemen 4 in der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Reluktanzmotors. Ein Stator des geschalteten Reluktanzmotors ist in dieser Figur aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen, ist aber in 2 und 3 gezeigt und wird an entsprechender Stelle nachfolgend beschrieben. Die Rotoren 3, 3 sind in dieser Ausführungsform in derselben Ebene parallel zueinander zu beiden Seiten des Pleuellagers 2 angeordnet. Jeder Rotor 3 ist drehbar in einer entsprechenden Bohrung bzw. Aussparung in dem Pleuelkopf 12 konstruktiv eingearbeitet und besteht aus einem bezüglich 1 oberen, innerhalb des Pleuelkopfs 12 angeordneten Abschnitt mit einem Schneckengewinde, dem sogenannten Schneckengewindeabschnitt 31 des Rotors 3, und aus einem bezüglich 1 unteren, aus dem Pleuelkopf 12 heraus ragenden Abschnitt, an dem ein Zahnrad 32 bzw. eine Riemenscheibe 32 einstückig oder daran befestigt angeordnet ist, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen. Die Schneckengewinde der beiden Schneckengewindeabschnitte 31, 31 haben eine spiegelsymmetrische Gewindesteigung, sind also zueinander spiegelsymmetrisch. Die beiden Zahnräder 32, 32 stehen durch den beide umlaufenden Zahnriemen 4 miteinander in Wirkverbindung und dienen entsprechend als Umlenkelemente für den Zahnriemen 4, wobei der Zahnriemen 4 entsprechend mit einer Innenverzahnung versehen ist. Eine Verschiebung bzw. eine Längsbewegung des Zahnriemens 4 führt entsprechend zu einer simultanen Drehung der Zahnräder 32, 32 und damit zu einer simultanen Drehung der beiden Rotoren 3, 3. Es ist hier auch denkbar, anstelle einer Kombination aus Zahnriemeninnenverzahnung und Zahnrädern 32, 32 eine andere Wirkverbindung zwischen den Rotoren 3, 3 umzusetzen, wie z.B. jede andere denkbare kraftschlüssige oder formschlüssige Kraftübertragung zwischen den beiden Rotoren 3, 3 und dem Riemen 4. Die Aussparungen, in denen die beiden Rotoren 3, 3 in dem Pleuelkopf 12 angeordnet sind, liegen teilweise zu der Durchgangsbohrung 121 hin frei, so dass die Schneckengewindeabschnitte 31, 31 der Rotoren 3, 3 mit dem Zahnkranz 22 des Pleuellagers 2 in Wälzkontakt stehen. Demzufolge führt eine Bewegung des Zahnriemens 4 über eine Drehung der Zahnräder 32, 32 zu einer Drehung der Rotoren 3, 3 und durch die wälzende Verbindung zwischen den Schneckengewindeabschnitten 31, 31 und dem Zahnkranz 22 zu einer entsprechenden simultanen Drehung des Pleuellagers 2. Ein wesentlicher Vorteil dieses Schneckengetriebes, das aus den beiden Schneckengewindeabschnitten 31, 31 und dem Zahnkranz 22 des Pleuellagers 2 besteht, ist dessen selbstblockierende Eigenschaft, die ausschließlich eine aktive Verstellung des Schneckengetriebes bzw. aktive Drehung des Pleuellagers 2 zulässt.
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Eine Drehung des Pleuellagers 2 in der Durchgangsbohrung 121 in dem Pleuelkopf 12 führt aufgrund der exzentrischen Anordnung der Aussparung 21 entsprechend zu einer relativen Lageänderung der Mittelachse der Aussparung 21 bezüglich der Mittelachse der Durchgangsbohrung 121. Entsprechend verändert sich ein Abstand zwischen einer Längsachse bzw. Mittelachse der Durchgangsbohrung 111 des Pleuelfußes 11 und der Mittelachse der Aussparung 21 durch die Drehung des Pleuellagers 2, wodurch sich entsprechend eine Änderung des Abstands zwischen einer Mittelachse des Kolbenbolzens des zu betätigenden Zylinderkolbens (nicht gezeigt) und einer Mittelachse des Hubzapfens der Kurbelwelle (nicht gezeigt) und damit eine Änderung der wirksamen Länge des Pleuels 1 bzw. der Pleuelstange 1 ergibt. Eine derartige variabel einstellbare Pleuellänge durch rotatorische Verstellung des Pleuellagers 2 bzw. die dadurch erreichte Veränderbarkeit der wirksamen Länge des Pleuels 1 führt entsprechend zu einer individuell einstellbaren Eintauchtiefe des Zylinderkolbens in den entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine und damit zu einer Veränderung der jeweiligen individuellen Brennraumkompression eines jeden Zylinders.
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2 zeigt in einer Seitenansicht entlang Pfeil A in 1 vereinfacht den Pleuelkopf 12 und den daraus hervorstehenden Teil eines Rotors 3 der beiden Rotoren 3, 3 mit Zahnrad 32, um das der Zahnriemen 4 verläuft. Der in 2 gezeigte Zustand stellt die Anordnung des Pleuels 1 zum Zeitpunkt des unteren Totpunkts der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine dar, bei dem der Zylinderkolben keine Bewegung mehr in axialer Richtung ausführt und die Kolbenoberseite sich entfernt vom Zylinderkopf befindet. In dieser Stellung, die ebenfalls in 3 in einer freigestellten Draufsicht dargestellt ist, befindet sich bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pleuelbaugruppe der Zahnriemen 4 innerhalb des Stators 5 des Reluktanzmotors, taucht also in diesen vollständig hinein. Der Zahnriemen 4 ist in dieser Ausführungsform so aufgebaut, dass er sich aus profilierten Eisengliedern 41 zusammensetzt, wobei sich die Profilkontur des Zahnriemens 4 als Abwicklung eines Ankers eines SR-Motors (Switched-Reluctance-Motors) darstellen lässt. Die profilierten Eisenglieder 41 sind in einen Riemengrundkörper 42 so angeordnet, dass sie zumindest zur Hälfte aus diesem radial hervorstehen und darüber hinaus in ihren Fußpunkten magnetisch gekoppelt sind. Der Riemenkörper 42 besteht vorzugsweise aus Gummi oder Kunststoff, kann aber auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein, der geeignet ist, als Zahnriemen eines Reluktanzmotors profilierte Eisenglieder 41 aufzunehmen und die magnetische Durchgängigkeit gewährleistet. In der in 2 und 3 gezeigten Anordnung des Zahnriemens 4 und des Stators 5 befinden sich die einzelnen Eisenglieder 41 in etwa auf der gleichen Höhe wie Magneteinheiten 51 des Stators 5, so dass eine Ansteuerung des Zahnriemens 4 im Sinne eines Ankers eines SR-Linearantriebs umgesetzt wird. Dabei liegt eine unterschiedliche Anzahl von Eisengliedern 41, die als Zähne des Rotors 3 wirken, und von Magneteinheiten 51 des Stators 5 vor, die als Zähne des Stators 5 wirken. Ein Querschnitt des in 2 dargestellten Stators 5 bei dieser Ausführungsform ist U-förmig, wobei die mit Spulen 512 versehenen Magnetpole 511 der Magneteinheiten 51 zu beiden Seiten des Zahnriemens 4 angeordnet sind. Eine Polteilung ist hier im Sinne der Auslegung eines SR-Motors vorzunehmen, damit eine maximale Krafterzeugung zwischen Stator 5 und Anker bzw. Zahnriemen 4 erreicht werden kann. Wird in diesem Bereich also ein magnetisches Wechselfeld durch die beschriebene Ansteuerung der Spulen 512 des Stators 5 erzeugt, welches sich im Verhältnis zur Bewegung des Pleuels 1 auf der einen Seite schneller und auf der anderen Seite langsamer bewegt, so kann eine Verschiebung der Kettenkonstruktion bzw. eine Längsbewegung des Zahnriemens 4 durch entsprechenden Krafteinfluss erreicht werden.
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Wie es 3 entnommen werden kann, besteht bei der bevorzugten Ausführungsform der Stator 5 beispielhaft aus acht zuschaltbaren Magneteinheiten 51, wobei sich jeweils 4 Magneteinheiten 51 auf jeder Seite des Zahnriemens 4 befinden. Jeder der Magneteinheiten 51 besteht dabei aus einem Magnetpol oder Magnetkern 511 und einer Spule 512, die um den Magnetpol 511 gewickelt ist. Die Magnetkerne 511, also die „Statorzähne“ bzw. die Statorpole sind demnach mit Spulen 512 bewickelt, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden können. Die Magneteinheiten 51 ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne 41 des Rotors 3 wie ein Elektromagnet an und werden abgeschaltet, wenn bzw. kurz bevor die Zähne 41 des Rotors 3 den sie anziehenden Statorzähnen 51 gegenüberstehen. In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen 51 eingeschaltet, die wiederum andere Rotorzähne 41 anziehen. Die Zähnezahlen des Zahnriemens 4 und des Stators 5 müssen dabei unterschiedlich zueinander sein.
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Um zu verhindern, dass durch die Anziehung der Eisenglieder 41 durch die Magneteinheiten 51 eine seitliche Auslenkung der Eisenglieder 41 hin zu den anziehenden Magneteinheiten 51 auftritt, die zu einer Störung der Steuerung des Reluktanzmotors führen kann, kann eine zwischen den Rotoren 3, 3 vorgesehene Nut-Feder-Führungseinrichtung (nicht gezeigt) an dem Pleuelkopf 12 zur seitlichen Führung des Zahnriemens 4 vorgesehen sein. Denkbar wäre es dabei, dass die Eisenglieder 41 oder der Riemengrundkörper 42 mehrere axial hervorstehende Elemente (nicht gezeigt) aufweisen, die als Federn wirken können. Diese Federn könnte dabei durch einen genuteten Ansatz (nicht gezeigt) geführt werden, der an einer dem Zahnriemen 4 zugewandten Seite des Pleuelkopfs 12 angeordnet sein kann, also der in 2 gezeigten unteren Seite des Pleuelkopfs 12, wobei die Federn an der darin gezeigten oberen Seite des Zahnriemens 4 angeordnet wären, die der unteren Seite des Pleuelkopfs 12 zugewandt ist. Eine derartige Nut-Feder-Führungseinrichtung wäre damit in der Lage, eine radiale Auslenkung der Eisenglieder 41 und damit des Zahnriemens 4 in Richtung hin bzw. weg von den Magneteinheiten 51, je nach Polung, zu begrenzen und damit eine barrierefreie Bewegung des Reluktanzmotors zu ermöglichen.
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In 4 ist schematisch ein Leistungsteuerungssystem des Reluktanzmotors gezeigt. Dieses besteht aus einer Steuereinheit 6, die Eingabewerte aufnimmt und Ansteuersignale 61 ausgibt, einer Leistungselektronikeinheit 7 zur Ansteuerung der Spulen 512, einem Statorsystem 8 sowie zumindest einer Messeinheit 9 oder Messeinrichtung 9. Die Eingabewerte im Sinne von Messwerten bzw. Vorgabewerten sind u.a. eine Motordrehzahl nMot, ein Kurbelwellenwinkel KW, eine Verstellvorgabe epsRef oder ein Brennraumdruck pZyl, die durch Messeinrichtungen aufgenommen oder bestimmt werden und entsprechend an die Steuereinheit 6 eingegeben werden. Weiterhin ist eine Messeinrichtung 9 oder Messeinheit 9 vorgesehen, die eine bereits erfolgte Änderung der wirksamen Pleuellänge xAnker an dem Pleuel 1 auf Basis der Ankerprofile induktiv direkt misst oder aus dem gemessenen Brennraumdruck pZyl des jeweiligen Zylinders ableitet und ebenfalls in die Steuereinheit 6 eingibt. Dementsprechend erhält die Leistungselektronikeinheit 7 ihr Zündmuster von der Steuereinheit 6, die abhängig von den Eingabewerten das Zündmuster für die Leistungselektronikeinheit 7 und damit für die mit dieser verbundenen Leistungsstellerkomponenten (nicht gezeigt) erzeugt. Die erreichte Verstellung der wirksamen Pleuellänge kann dabei z.B. über die induktive Messeinheit 9 geregelt werden, wobei der Bereich der Verstellung der wirksamen Pleuellänge zwischen 0,1mm und 3,5mm liegen kann, vorzugsweise zwischen 0,5mm und 3mm.
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Als Alternative zu der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch eine Ausführung mit nur einem Rotor 3 anstatt zwei Rotoren 3, 3 denkbar. Dabei würde der Aufbau des Reluktanzmotor mehr einem üblichen SR-Motor entsprechen, bei dem der Rotor 3 als metallischer, um eine Achse drehbarer Rotor ausgebildet ist, der auf seiner Umfangsfläche strukturiert ist, wobei der den Rotor 3 außenseitig umgebende Stator 5 steuerbare Magneteinheiten 51 wie zuvor beschrieben aufweist. Bei dieser Ausführung kann auf einen zweiten Rotor 3 und einen Zahnriemen 4 verzichtet werden, da der eine Rotor 3 im unteren Totpunkt des jeweiligen Zylinders direkt den Stator 5 in Längsrichtung durchtaucht, wobei die strukturierte Umfangsfläche des Rotors 3 wiederum aus einem Zahnkranz mit ausgeprägten Polen besteht, dessen Zähnezahl ähnlich zu dem vorhergehend beschriebenen Beispiel unterschiedlich zu der Zähnezahl des Stators 5 ist. Der restliche Aufbau dieser alternativen Ausführung entspricht der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform und eine weitere Beschreibung kann daher an dieser Stelle unterbleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007028959 A1 [0002]
- US 6260520 [0002]
- DE 19927479 [0002]
- WO 98/10179 [0002]
