DE102012214659B4

DE102012214659B4 - In der Länge veränderbare Pleuelstange und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Pleuelstange

Info

Publication number: DE102012214659B4
Application number: DE102012214659.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Mehring; Klaus Moritz Springer; Oliver Berkemeier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-08-18
Also published as: CN103629225A; DE102012214659A1; CN103629225B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, die mit ihrem einen Ende (2) mit einem Kolben der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist und zur Koppelung von Kolben und Kurbelwelle mit ihrem anderen Ende (3) mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (1) entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden (2, 3) der Pleuelstange (1) miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Pleuelstange (1). Es soll eine Pleuelstange (1) der genannten Art bereitgestellt werden, mit der eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann. Erreicht wird dies durch eine Pleuelstange (1), die dadurch gekennzeichnet ist, dass – die Pleuelstange (1) aus mindestens zwei Teilen (1a, 1b) aufgebaut ist, die in Richtung der gedachten Linie L relativ zueinander verschiebbar sind, wodurch eine Längenänderung der Pleuelstange (1) und damit ein variables Verdichtungsverhältnis ε realisierbar ist, und – mindestens ein temperatur-reaktives Wachselement (5) vorgesehen ist, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements (5) zu einer Längenänderung der Pleuelstange (1) führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, die mit ihrem einen Ende mit einem Kolben der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist und zur Koppelung von Kolben und Kurbelwelle mit ihrem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden der Pleuelstange miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Pleuelstange.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
Die Pleuelstange einer Brennkraftmaschine ist nach dem Stand der Technik mit einem kleinen Pleuelauge an einem Ende und einem großen Pleuelauge am anderen Ende versehen, wobei die Pleuelstange über einen in dem kleinen Pleuelauge angeordneten Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Mit dem großen Pleuelauge ist die Pleuelstange auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Abstand zwischen dem kleinen Pleuelauge und dem großen Pleuelauge, d. h. der Abstand der dazugehörigen Mittelpunkte bzw. Mittellinien als Pleuellänge bezeichnet.
Der Kolben dient dabei der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Die Gaskräfte, mit denen der Kolben beaufschlagt wird, werden auf diese Weise über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und von dieser auf die Kurbelwelle übertragen.
Durch die beschriebene Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange und Kurbelwelle wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Pleuelstange bewegt sich dabei abgesehen von einem geringen rotatorischen Anteil überwiegend oszillierend in Richtung Zylinderrohrlängsachse.
Die Gaskräfte drücken den Kolben in Richtung Zylinderrohrlängsachse nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt dem Kolben durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung aufgezwungen wird. Der Kolben, der mit seiner nach unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muß bei dieser abwärts gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben die auf ihn wirkenden Gaskräfte über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und versucht diese nach unten zu beschleunigen. Nähert sich der Kolben dem unteren Totpunkt wird dieser mitsamt der Pleuelstange verzögert, um dann im unteren Totpunkt eine Bewegungsumkehr zu vollziehen. Die Wegstrecke, die der Kolben auf seinem Weg zwischen dem oberen Totpunkt und dem unterem Totpunkt im Zylinderrohr zurücklegt, wird als Kolbenhub s bezeichnet.
Das Hubvolumen V_h eines Zylinders ergibt sich aus der Kolbenfläche A_K und dem Kolbenhub s zu: V_h = A_K·s. Das Zylindervolumen bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben wird als Kompressionsvolumen V_C bezeichnet. Das Zylindervolumen im unteren Totpunkt des Kolbens ergibt sich aus der Summe von Hubvolumen V_h und Kompressionsvolumen V_c.
Für das geometrische Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine gilt: ε = 1 + V_h/V_c
Während Dieselmotoren prinzipbedingt mit sehr hohen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, um eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten, ist bei Ottomotoren das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis ε_max wegen der Klopfneigung im Vollastbetrieb, d. h. der Neigung zu Selbstzündungen im noch unverbrannten Gemisch, auf vergleichsweise niedrige Verdichtungsverhältnisse von beispielsweise ε ≈ 10 bei Saugmotoren zu begrenzen.
Bei aufgeladenen Motoren, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, muß das geometrische Verdichtungsverhältnis für eine klopffreie Verbrennung weiter abgesenkt werden, beispielsweise auf ε ≈ 8 ... 9 begrenzt werden.
Nachteilig sind die relativ kleinen Verdichtungsverhältnisse des Ottomotors insbesondere im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, d. h. im Hinblick auf den Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad η nimmt mit abnehmendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls ab. D. h. im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses sollte die Zylinderfrischladung möglichst hoch verdichtet werden, was auch aus den oben genannten Gründen, insbesondere der Klopfneigung des Ottomotors nahe der Vollast, nicht uneingeschränkt durchführbar ist.
Ein konstruktiver Ansatz zur Auflösung dieses Konfliktes besteht darin, die Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ε auszustatten und zwar in der Art, dass das Verdichtungsverhältnis ε mit abnehmender Last, d. h. ausgehend von der Vollast in Richtung Teillast, erhöht wird. Auf diese Weise könnte ein grundlegender, teillastspezifischer Nachteil von Ottomotoren gegenüber Dieselmotoren zumindest teilweise kompensiert werden.
Aufgrund der Tatsache, dass eine Brennkraftmaschine überwiegend im Teillastbereich betrieben wird, bietet dies im Hinblick auf die erzielbare Kraftstoffersparnis ein hohes Potential. Eine wirkungsgradoptimierte Veränderung, d. h. Anpassung, des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Betriebspunkt erlaubt auch bei Ottomotoren im Teillastbereich Verdichtungsverhältnisse ε ≈ 14 ... 15 und damit eine signifikante Verbrauchsreduzierung.
1 zeigt am Beispiel eines Saugmotors die Verbesserung des Wirkungsgrades, die sich mittels eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε erzielen ließe. Dabei ist der thermische Wirkungsgrad η_th über der auf die Vollast bezogenen Last aufgetragen, wobei der Kurve A ein konstantes Verdichtungsverhältnis ε = 9 und der Kurve B ein variables Verdichtungsverhältnis ε zugrunde liegt.
Wird die Brennkraftmaschine im Teillastbereich betrieben, beispielsweise mit 20% der Vollast, kann der Wirkungsgrad durch Anpassung des Verdichtungsverhältnisses, beispielsweise ε ≈ 14, um etwa 12% erhöht werden. Hin zu hohen Lasten nimmt dieses Potential stetig ab, so dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit 80% der Vollast mittels variabler Verdichtung nur noch Wirkungsgradverbesserungen von etwa 3% realisierbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze zur Realisierung eines veränderbaren Verdichtungsverhältnisses ε bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine bekannt, von denen beispielhaft nur zwei kurz vorgestellt werden sollen.
Eine Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange als zweiteilige Pleuelstange auszuführen. Dabei umfaßt die Pleuelstange ein oberes Pleuel, das mit dem Kolben gelenkig verbunden ist, und ein unteres Pleuel, das an der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das obere Pleuel und das untere Pleuel ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sind, um auf diese Weise gegeneinander verschwenkt werden zu können. Damit handelt es sich um eine Pleuelstange der eingangs genannten Art, nämlich um eine Pleuelstange, die entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden der Pleuelstange miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist. Die gedachte Linie L verlauft dabei einerseits durch das Lager, in dem das obere Pleuel mit dem Kolben drehbar verbunden ist, d. h. durch das kleine Pleuelauge, und andererseits durch das Lager, in dem das untere Pleuel auf der Kurbelwelle aufgenommen wird, d. h. durch das große Pleuelauge. Wird der Abstand dieser beiden Lager entlang ihrer Verbindungslinie L als die Länge der Pleuelstange verstanden, kann diese Länge durch Verschwenken des oberen und des unteren Pleuels gegeneinander, d. h. durch ein mehr oder weniger starkes Knicken der zweiteiligen Pleuelstange verändert werden.
Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt dabei mittels einer Anlenkstange, die gelenkig mit dem oberen Pleuel verbunden ist und drehbar auf einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle aufgenommen wird. Durch ein Verdrehen der Exzenterwelle und der sich daraus ergebenden Veränderungen der Kolbentotpunktlagen kann das Verdichtungsverhältnis in weiten Grenzen, beispielweise zwischen ε_min ≈ 8 bis 15 ε_max ≈ 15, variiert werden.
Eine Pleuelstange der vorstehend beschriebenen Art ist auch Gegenstand der Dissertation ”Der variable Kurbeltrieb zur Realisierung eines veränderlichen Verdichtungsverhältnisses bei einem hochaufgeladenen 4-Zyinder-Ottomotor” (Dr.-Ing. C. Bollig, 1996, RWTH Aachen).
Die mechanische Verstellvorrichtung ist auch gleichzeitig der größte Nachteil des beschriebenen Lösungsansatzes zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses, denn ein beachtlicher Teil der Verstellvorrichtung, insbesondere der Anlenkstange, nimmt an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teil.
Die oszillierende Bewegung des Kolbens und der Pleuelstange zusammen mit den Bauteilen der Verstellvorrichtung führt zu hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, die mit dem Quadrat der Kurbelwellendrehzahl zunehmen und entsprechend hohe dynamische Trägheitskräfte verursachen. Diese dynamischen Trägheitskräfte belasten den Kurbeltrieb erheblich und spielen bei der Auslegung der Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit eine maßgebliche Rolle.
Es ist daher grundsätzlich ein Ziel der Konstrukteure, die oszillierenden Massen möglichst gering zu halten und die Bauteile materialsparend auszulegen, wobei die erforderliche Festigkeit der Bauteile dieser Vorgehensweise Grenzen setzt. Der Einsatz einer mechanischen Verstellvorrichtung, die an der oszillierenden Bewegung teilnimmt, steht damit dem Ziel, die oszillierenden Massen zu reduzieren, entgegen.
Eine andere Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange aus mehreren Pleuelstangenstücken aufzubauen, die teleskopartig ineinander verschiebbar angeordnet sind. Die Variation der Pleuellänge erfolgt durch ein Zusammenschieben oder Auseinanderziehen der Pleuelstangenstücke. Hierzu ist wiederum eine mechanische Verstellvorrichtung erforderlich, die prinzipbedingt, wie die zuvor beschriebene Verstellvorrichtung, mechanisch mit der Pleuelstange gekoppelt sein muß, wodurch ein Teil dieser Verstellvorrichtung wiederum an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teilnimmt. Die Nachteile sind die oben bereits Genannten.
Darüber hinaus führen die aus dem Stand der Technik bekannten in der Länge veränderbaren Pleuelstangen per se schon zu einer Zunahme der oszillierenden und rotierenden Massen gegenüber einer herkömmlichen Pleuelstange, was die beschriebenen nachteiligen Effekte noch verstärkt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pleuelstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit der eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Pleuelstange aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, die mit ihrem einen Ende mit einem Kolben der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist und zur Koppelung von Kolben und Kurbelwelle mit ihrem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden der Pleuelstange miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– die Pleuelstange aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist, die in Richtung der gedachten Linie L relativ zueinander verschiebbar sind, wodurch eine Längenänderung der Pleuelstange und damit ein variables Verdichtungsverhältnis ε realisierbar ist, und
– mindestens ein temperatur-reaktives Wachselement vorgesehen ist, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements zu einer Längenänderung der Pleuelstange führt.

Dadurch, dass die erfindungsgemäße Pleuelstange ein temperatur-reaktives Wachselement verwendet, um die Länge der Pleuelstange zu verändern, kann auf eine mechanische Verstellvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet werden. Das temperatur-reaktive Wachselement fungiert als Verstellvorrichtung bzw. als Teil einer Verstellvorrichtung. Das Wachselement muß lediglich thermisch aktiviert werden. Die thermische Aktivierung, d. h. die Änderung, insbesondere die Erhöhung, der Temperatur des Wachselements führt zu einer Änderung des Volumens, wobei die Volumenänderung des Wachselements erfindungsgemäß für eine Längenänderung der Pleuelstange genutzt wird. Die Aktivierung des Wachselements kann auf vielfältige Weise erfolgen, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird. Mit der mechanischen Verstellvorrichtung entfallen auch die damit verbundenen Nachteile. Insbesondere wird eine ungewollte Erhöhung der oszillierenden und rotierenden Massen des Kurbeltriebes vermieden.
Das Material, aus dem das Wachselement ausgebildet ist, nämlich Wachs, ist von einem geringeren spezifischen Gewicht als herkömmliche Werkstoffe zur Herstellung von Pleuelstangen bzw. mechanischen Verstellvorrichtungen. Der Wegfall einer mechanischen Verstellvorrichtung und die Verwendung eines temperatur-reaktiven Wachselements reduzieren die oszillierenden Massen des Kurbeltriebes und die durch diese Massen verursachten dynamischen Massenkräfte.
Durch die Ausstattung der Pleuelstange mit mindestens einem Wachselement wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine in der Länge veränderbare Pleuelstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit der eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pleuelstange werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement in einem Arbeitsraum angeordnet ist und bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verschiebemechanik betätigt, welche eine Längenänderung der Pleuelstange herbeiführt.
Das Wachselement soll bei Aktivierung zu einer Längenänderung der Pleuelstange führen. Um den Aktuator einer Verschiebemechanik mittels Volumenänderung betätigen und die hierfür erforderliche Kraft aufbauen zu können, ist es vorteilhaft, das Wachselement in einem Arbeitsraum anzuordnen, welcher einer Volumenänderung grundsätzlich entgegen wirkt, d. h. einer Ausdehnung des Wachselementes zunächst entgegen steht. Die Volumenänderung wird mittels und im Arbeitsraum kontrolliert auf einen Aktuator geleitet, durch den eine Verschiebemechanik betätigt wird, welche eine Längenänderung der Pleuelstange herbeiführt.
Je nach Wirkprinzip bzw. Aufbau der Verschiebemechanik, kann das bei Aktivierung expandierende Wachselement, d. h. die Ausdehnung des Wachselements, zu einer Verkürzung oder zu einer Verlängerung der Pleuelstange führen bzw. genutzt werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Vergrößerung der Länge der Pleuelstange herbeiführt.
Das Wachselement könnte zu niedrigen Lasten hin aktiviert werden, um das Verdichtungsverhältnis ε anzuheben und damit den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb zu erhöhen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verkleinerung der Länge der Pleuelstange herbeiführt.
Diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise für Pleuelstangen, bei denen das Wachselement mittels aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine stammenden Öls aktiviert wird, d. h. selbsttätig in Abhängigkeit von der Öltemperatur sein Volumen ändert. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Öltemperatur mit zunehmender Last ansteigt. Nimmt das Volumen des Wachselements mit steigender Öltemperatur zu, verkürzt sich zu hohen Lasten hin die Pleuelstange, wodurch wiederum das Verdichtungsverhältnis ε reduziert wird und einem Klopfen entgegen gewirkt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement aktiv steuerbar ist.
Diese Ausführungsform gestattet eine kennfeldspezifische Steuerung des Wachselementes und damit eine betriebspunktspezifische Steuerung der Länge der Pleuelstange und damit des Verdichtungsverhältnisses ε.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement mittels Motorsteuerung steuerbar ist.
Ist das temperatur-reaktive Wachselement aktiv steuerbar, sind Ausführungsformen der Pleuelstange vorteilhaft, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement elektrisch steuerbar ist.
Elektrisch gesteuerte Wachselemente haben den Vorteil, dass diese mit der üblichen Steuerungstechnik einer Brennkraftmaschine kompatibel sind. Ferner kann eine elektrische Steuerung in einfacher Weise die Bordbatterie nutzen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement ein selbsttätig steuerndes Wachselement ist. Eine derartige Ausbildung der Pleuelstange erleichtert die Steuerung erheblich, da die aufwendige Steuerung mittels Motorsteuerung entfällt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen dass das temperatur-reaktive Wachselement mit aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine stammendem Öl beaufschlagbar ist, so dass sich dessen Volumen in Abhängigkeit von der Öltemperatur ändert.
Die Pleuelstange bzw. die Lager der Pleuelstange, nämlich das kleine Auge und das große Auge, werden in der Regel mit Öl versorgt, um eine Schmierung der Lager zu gewährleisten und die Reibleistung zu reduzieren. Eine zumindest teilweise in der Pleuelstange integrierte Versorgungsleitung kann vom Ölkreislauf abzweigen und zum Wachselement führen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement stufenlos steuerbar ist. Dies erlaubt eine wirkungsgradoptimierte Veränderung, d. h. Anpassung des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Betriebspunkt, wodurch das Potential eines variablen Verdichtungsverhältnisses im Teillastbereich voll ausgeschöpft werden kann, was bei einem stufenweisen Einstellen nur bedingt möglich ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Pleuelstange, bei denen eine Rückstellmechanik vorgesehen ist, welche der vom temperatur-reaktiven Wachselement ausgeübten Verschiebekraft entgegenwirkt.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Pleuelstange einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um eine Längenänderung der Pleuelstange herbeizuführen und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu verändern.
Das bereits für die erfindungsgemäße Pleuelstange Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um die Länge der Pleuelstange zu vergrößern und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um die Länge der Pleuelstange zu verkleinern und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu verringern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement in der Art gesteuert wird, dass mit abnehmender Last das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine erhöht wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement in der Art gesteuert wird, dass mit zunehmender Last das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine verringert wird.
Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten tragen sowohl dem Umstand Rechnung, dass im Bereich hoher Lasten ein Klopfen durch Beschränken bzw. Verkleinern des Verdichtungsverhältnisses ε sicher zu verhindern ist, als auch dem Umstand, dass im Teillastbereich der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtungsverhältnisse ε verbessert werden kann, ohne dass Selbstzündungen des Kraftstoff-Luftgemisches, d. h. ein Klopfen, zu befürchten wäre.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 den thermischen Wirkungsgrad η_th eines Saugmotors über der bezogenen Last für ein unveränderliches Verdichtungsverhältnis ε einerseits (Kurve A) und für ein variables Verdichtungsverhältnis ε andererseits (Kurve B), und
2 schematisch und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform der Pleuelstange.
1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erörtert, weshalb auf diese Ausführungen Bezug genommen wird.
2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform der Pleuelstange 1.
Die Pleuelstange 1 ist an ihrem einen Ende 2 mit einem kleinen Pleuelauge 8 und an ihrem anderen Ende 3 mit einem großen Pleuelauge 7 ausgestattet. Das kleine Pleuelauge 8 dient der gelenkigen Verbindung der Pleuelstange 1 mit einem Kolben mittels Bolzen. Im großen Pleuelauge 7 ist die Pleuelstange 1 auf einem Kurbelwellenzapfen einer Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwelle drehbar gelagert.
Zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε ist die Pleuelstange 1 entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden 2, 3 der Pleuelstange 1 miteinander verbindet, in der Länge veränderbar. Hierzu ist die Pleuelstange 1 modular aufgebaut, vorliegend aus zwei Teilen 1a, 1b, die in Richtung der gedachten Linie L relativ zueinander verschiebbar sind, wodurch eine Längenänderung der Pleuelstange 1 und damit ein variables Verdichtungsverhältnis ε realisiert werden kann.
Ein erstes Teil 1a nimmt das große Pleuelauge 7 auf. Ein zweites Teil 1b umfaßt das kleine Pleuelauge 8. Zwischen den beiden Teilen 1a, 1b ist ein temperatur-reaktives Wachselement 5 angeordnet, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Die Volumenänderung des Wachselements 5 wird für eine Längenänderung der Pleuelstange 1 genutzt. Das Wachselement 5 der in 2 dargestellten Pleuelstange 1 wird elektrisch zwangsgesteuert (nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste

1: Pleuelstange
1a: erstes Pleuelstangenteil
1b: zweites Pleuelstangenteil
2: ein Ende
3: anderes Ende
4: Steuerkolben, Verschiebemechanik
5: Wachselement
6: Arbeitsraum
7: großes Pleuelauge
8: kleines Pleuelauge
ε: Verdichtungsverhältnis
ε_max: maximal zulässiges Verdichtungsverhältnis
η: Wirkungsgrad
η_th: thermischer Wirkungsgrad
L: gedachte Linie durch die beiden Enden der Pleuelstange
s: Hub
V_c: Kompressionsvolumen
V_h: Hubvolumen eines Zylinders

Claims

Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, die mit ihrem einen Ende (2) mit einem Kolben der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist und zur Koppelung von Kolben und Kurbelwelle mit ihrem anderen Ende (3) mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (1) entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden (2, 3) der Pleuelstange (1) miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Pleuelstange (1) aus mindestens zwei Teilen (1a, 1b) aufgebaut ist, die in Richtung der gedachten Linie L relativ zueinander verschiebbar sind, wodurch eine Längenänderung der Pleuelstange (1) und damit ein variables Verdichtungsverhältnis ε realisierbar ist, und – mindestens ein temperatur-reaktives Wachselement (5) vorgesehen ist, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements (5) zu einer Längenänderung der Pleuelstange (1) führt.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) in einem Arbeitsraum (6) angeordnet ist und bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verschiebemechanik (4) betätigt, welche eine Längenänderung der Pleuelstange (1) herbeiführt.
Pleuelstange (1) Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Vergrößerung der Länge der Pleuelstange (1) herbeiführt.
Pleuelstange (1) Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verkleinerung der Länge der Pleuelstange (1) herbeiführt.
Pleuelstange (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) aktiv steuerbar ist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) mittels Motorsteuerung steuerbar ist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) elektrisch steuerbar ist.
Pleuelstange (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) ein selbsttätig steuerndes Wachselement ist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) mit aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine stammendem Öl beaufschlagbar ist, so dass sich dessen Volumen in Abhängigkeit von der Öltemperatur ändert.
Pleuelstange (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (5) stufenlos steuerbar ist.
Pleuelstange (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellmechanik vorgesehen ist, welche der vom temperatur-reaktiven Wachselement (5) ausgeübten Verschiebekraft entgegenwirkt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Pleuelstange (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um eine Längenänderung der Pleuelstange (1) herbeizuführen und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um die Länge der Pleuelstange (1) zu vergrößern und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) mittels Temperaturerhöhung aktiviert wird, um die Länge der Pleuelstange (1) zu verkleinern und das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine zu verringern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) in der Art gesteuert wird, dass mit abnehmender Last das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (5) in der Art gesteuert wird, dass mit zunehmender Last das Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine verringert wird.