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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit veränderbarem Verdichtungshub, auch „variable compression rate”-Kolbenmaschine genannt, abgekürzt VCR-Kolbenmaschine, wie auch ein Verfahren für eine Veränderung des Verdichtungshubs bei einer Kolbenmaschine. Die Kolbenmaschine ist bevorzugt eine Brennkraftmaschine eines Straßenfahrzeugs und weist daher bevorzugt zumindest zwei Zylinder mit jeweiligem Verstellmechanismus auf. Ein Pleuel der Kolbenmaschine weist neben einem exzentrisch verstellbaren Verdichtungskolben zumindest einen Stützkolben auf, der über ein Verstellsystem eine Abstützung für die exzentrische Verstellung des Verdichtungskolben bietet.
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Das Bedürfnis, Kolbenmaschinen möglichst optimiert in unterschiedlichen Bereichen nutzen zu können, führt dazu, dass unter anderem der Kolbenhub einstellbar veränderbar sein soll. Dadurch kann für jeden Einsatzfall der Kolbenmaschine angepasst der Kolbenhub variiert werden. Wird die Kolbenmaschine wiederum im Betrieb in unterschiedlichen Bereichen, zum Beispiel Lastbereichen eingesetzt, kann dem auch durch eine Verstellung des Hubes und damit der resultierenden Verdichtung Rechnung getragen werden.
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Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl an verschiedenen Lösungen für eine Änderung der Verdichtung während des Betriebs. So geht aus der
DE 10 2007 040 699 A1 eine magnetische Lösung hervor. Die hier jedoch der Erfindung zugrunde liegende Ausgangssituation geht von einer Kolbenmaschine aus, wie sie aus der
DE 10 2005 055 199 A1 hervorgeht. Auf den Inhalt dieser Druckschrift wird bezüglich des Umfangs der Offenbarung verwiesen, da aus der Druckschrift der grundsätzliche Aufbau der Kolbenmaschine und eines möglichen einsetzbaren, speziellen Pleuels wie aber auch das prinzipielle Verstellverfahren hervorgeht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Stellverhalten bei einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses bei einer gattungsgemäßen Kolbenmaschine zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird mittels einer Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wie auch mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den zusätzlichen Ansprüchen hervor, die jeweils für sich eigenständige Lösungen aber auch zusammen mit den anderen kombiniert spezielle Lösungen ergeben. Darüber hinaus können ein oder mehrere Merkmale der vorliegenden Ansprüche austauschbar durch ein oder mehrere Merkmale aus anderen Ansprüchen, der Beschreibung wie auch den Figuren sein. Die vorliegenden Ansprüche bilden einen ersten Ansatz zur Beschreibung der Erfindung, ohne die Erfindung selbst aber dadurch beschränken zu wollen.
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Es wird eine Kolbenmaschine mit veränderbarem Verdichtungshub vorgeschlagen, umfassend
- – eine Kurbelwelle,
- – zumindest ein mit der Kurbelwelle mitrotierendes Pleuel, wobei das Pleuel ein kleines und ein großes Auge aufweist,
- – einen am Pleuel angeordneten Verdichtungskolben, vorzugsweise einen Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters und einem Verstellsystem, bevorzugt, einem Verstellgestänge, exzentrisch verstellbar ist, wobei das Verstellsystem mittels zumindest eines in einem Stützzylinder des Pleuels verfahrbaren Stützkolbens sich abstützt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stützzylinder und der Stützkolben einen gezielten Leckagepfad bilden.
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Der Stützkolben stützt sich auf einem Medium in dem Stützzylinder ab. Das Medium ist bevorzugt ein Schmierstoff, der auch in der übrigen Kolbenmaschine an anderer Stelle dort zum Einsatz kommt. Bevorzugt ist daher der Exzenter in dem kleinen Pleuelauge angeordnet, wobei der Verdichtungskolben drehend in dem Exzenter angeordnet ist. Die Kolbenmaschine kann ein oder mehrere derartige Pleuel auf der Kurbelwelle angeordnet aufweisen. Prinzipiell kann eine Verstellung so erfolgen, wie es aus der oben schon im Stand der Technik angesprochenen
DE 10 2005 055 199 A1 oder aber auch aus der
DE 10 2012 014 917 A1 oder der
DE 10 2011 108 790 A1 hervorgeht, auf die diesbezüglich aber auch bezüglich der Verstellung und des Aufbaus der Kolbenmaschine und des Pleuels nebst Stützzylinder und Stützkolben vollumfänglich im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird.
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Während der Stützzylinder das Medium aufnimmt, auf dem sich der Stützkolben abstützt, unterteilt der Stützkolben im Zusammenspiel mit dem Stützzylinder den Inhalt des Stützzylinders, zum Beispiel in einen mit dem Medium gefüllten Abstützraum und in einen Verstellraum, in den der Stützkolben verfährt, wenn es zu einer exzentrischen Verstellung des Verdichtungskolbens kommen soll. Der Verstellraum ist bevorzugt nicht mit dem Medium gefüllt, wobei jedoch auch Ausgestaltungen möglich sind, in denen auch der Verstellraum zumindest teilweise mit dem Medium gefüllt sind. Der Verstellraum ist bevorzugt luftgefüllt. Zwischen dem Stützzylinder und dem Stützkolben ist nunmehr vorgesehen, dass ein gezielter Leckagepfad bevorzugt für das Medium vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass mittels des Leckagepfads und dessen gezielter Einstellung beispielsweise verhindert werden kann, dass der Stützkolben über die Zeit immer weiter eintaucht und sich dadurch eine ungewollte Verstellung der Exzentrizität ergibt. Ein weiterer Vorteil kann beispielsweise sein, dass mittels des gezielten Leckagepfads eine Entlüftung zur Verfügung gestellt wird. Sollte sich in dem abstützenden Medium zum Beispiel Schaum oder auch Luftbläschen ansammeln, kann mittels des gezielten Leckagepfades ein Vorbeiströmen in einem Spalt zwischen Stützzylinder und Stützkolben erfolgen.
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Vorzugsweise ist der Leckagepfad nur zeitweise frei. Beispielweise kann die zeitweise Freigabe mit einer Bewegung des Stützkolbens einhergehen. Gemäß einer Ausgestaltung wird während einer Bewegung des Stützkolbens in eine erste Richtung wie auch in die dazu entgegengesetzte zweite Richtung jeweils der Leckagepfad zumindest zum Teil gezielt frei. Dieses kann beispielsweise während der gesamten Bewegung oder aber auch nur während eines Teils der Bewegung der Fall sein. Der Leckagepfad kann beispielweise durchgängig gleichzeitig frei gegeben sein. Er kann aber auch abschnittsweise bzw. nach und nach freigegeben sein. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Leckagepfad einer gewissen Willkürlichkeit hinsichtlich seines Verlaufs zwischen Stützkolben und Stützzylinder unterliegt. Beispielweise kann es von der Bewegung abhängen, in welcher Weise sich der Leckagepfad einstellt. Die Definierung des Leckagepfads erfolgt hierbei insbesondere durch die Geometrie des Stützzylinders, des Stützkolbens, deren Relativbewegung zueinander in axialer wie auch radialer Richtung. Eine weitere Ausgestaltung sieht hingegen die Definierung des Leckagepfads mittels eines vorgegebenen, festgelegten Wegs, entlang dessen das Medium strömen muss. Auch können beide Ausgestaltungen hinsichtlich des Leckagepfades miteinander kombiniert werden. So können unterschiedliche Bereiche zwischen Stützkolben und Stützzylinder jeweils unterschiedlich den Leckagepfad definieren.
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Eine weitere Ausgestaltung, die zusammen wie auch unabhängig von den anderen beschriebenen Ausgestaltungen eingesetzt werden kann, sieht eine Kolbenmaschine vor, bei der der Stützkolben ohne ein separates Dichtelement zwischen Stützkolben und Stützzylinder versehen ist und ohne Dichtelement entlang des Stützzylinders verfährt.
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Ein Vorteil bei Nutzung eines Stützkolbens ohne Dichtelement ist zum Beispiel eine Minimierung der Reibung zwischen Stützkolben und Stützzylinder. Dieses ist zum Beispiel vorteilhaft in Bezug auf die Schaltzeiten, insbesondere bei kleinen Drehzahlen, vor allem auch in Richtung „hohes Epsilon”, also hohem Verdichtungsverhältnis, da hier nur geringe Massenkräfte wirken, auf die das Verstellsystem zur Verstellung angewiesen ist.
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Eine bevorzugte Auslegung des definierten Leckagepfads erfolgt zum Beispiel wie folgt:
Für eine Spaltleckage eines exzentrischen Ringspaltes wird von folgendem mathematischer Zusammenhang ausgegangen:
mit d m = mittl. Durchmesser der Dichtstelle, h = Spalthöhe, l = Länge der Dichtstelle, η = dyn. Viskosität, e = Exzentrizitat.
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Ein Durchmesserunterschied zwischen dem Stützkolben und dem Stützzylinder wird so bemessen, dass die Leckage sehr gering bleibt, aber es nicht zu einem Klemmen des Kolbens kommen kann. Durch die Bewegung des Stützkolbens wird hierbei der Leckagepfad sich ändern. Durch eine geeignete Auslegung der Passung zwischen Stützkolben und Stützzylinder gelingt es, ohne ein separates Dichtmittel zwischen Stützkolben und Stützzylinder auskommen zu können.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Einsacken des Stützzylinders um 1%...2% oder mehr bezogen auf den gesamten Verfahrweg, der gleich dem Hub des Abstützmechanismus ist, akzeptiert werden kann. So hat sich herausgestellt, dass zum Beispiel ein Einsacken von ca. 0,3 mm bei ca. 30 mm Stützkolben-Hub noch zu keiner derartigen Verfälschung der Exzentrizität des Verdichtungskolbens führt, die bei permanenter Wiederholung schließlich in einer völligen Fehlstellung des Verdichtungskolbens endet.
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Bevorzugt ist eine Durchmesserdifferenz zwischen Stützkolben und Stützzylinder, die hierfür beispielweise auf der Gaskraftseite ca. 0,1%...0,2% bezogen auf den Nenndurchmesser des Stützzylinders beträgt. Die Gaskraftseite ist hierbei diejenige, die sich bei einer Bewegung des Pleuels aufgrund der wirkenden Verbrennung und Expansion bei zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine als Druckkraft auf den Verdichtungskolben aber auch auf den Stützkolben als Verstellkraft in die wirkende Richtung der Gaskraft auswirkt. So wird zum Beispiel für einen Durchmesser von 14 mm ein diametrales Spiel von etwa ca. 0,025 mm vorgesehen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass Stützkolben und Stützzylinder mittels einer Klassierung gezielt gepaart sind. Die Klassierung kann zum Beispiel mittels einer genauen Oberflächenvermessung und Konturermittlung einhergehen, die es erlaubt, diejenigen Paare festzulegen, die tatsächlich die entsprechende Durchmesserdifferenz entlang des Verfahrwegs des Stützkolbens auch einhält. Die Stützzylinder-Oberfläche muss von der Form und Oberflächenbeschaffenheit für ein Dichtkonzept geeignet sein, wobei diese bevorzugt gehont, feingespindelt oder geschliffen ist. Eine Laseroberflächenbearbeitung ist ebenfalls möglich.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass auf der Massenkraftseite ein größeres Spiel akzeptiert wird, da hier üblicherweise ein niedrigeres Öl-Druckniveau vorliegt.
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Es wird des Weiteren eine Kolbenmaschine vorgeschlagen, bei der das mitrotierende Pleuel einen ersten und einen zweiten Stützkolben aufweist, die im Verhältnis zueinander einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, wobei der erste Stützkolben einen kleineren Durchmesser besitzt und zwischen dem ersten Stützkolben und dem diesen zugeordneten ersten Stützzylinder ein erster Spalt vorliegt, der größer ist als derjenige zwischen dem zweiten Stützkolben und dem diesen zugeordneten zweiten Stützzylinder.
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Eine derartige Anordnung kann bevorzugt dem Unterschied zwischen Massenkraft- und Gasseite angepasst werden, insbesondere an die dadurch wirkenden Drücke. Bevorzugt ist der kleinere Durchmesser auf der Seite angeordnet, an der niedrigere Drücke wirken.
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Der Verbrennungs-Spitzendruck und die Massenkräfte im Kurbeltrieb spiegeln sich über die geometrischen Verhältnisse wie insbesondere Exzentrizität, Hebellänge, Kraftangriffswinkel der Stützstangen, Stützkolbendurchmesser in den Stützzylinderdrücken wider. Es können durchaus Öl-Drücke in dem gaskraftseitigen Stützzylinder, die 300 bar und mehr aufweisen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass Drücke von über 400 bar erzeugt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Nutzung eines definierten Leckagepfads ohne Dichtelement zwischen Stützkolben und Stützzylinder vor, wobei im Stützzylinder Drücke von über 400 bar auftreten können
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Eine Stützkolbenhöhe geht in die oben angegebene Beziehung zur Auslegung vergleichsweise nur linear ein. Daher ist sie von geringerer Wertigkeit wie das diametrale Spiel. Dennoch sollte die Stützkolbenhöhe möglichst groß bemessen sein, wobei sich eine Höhe zwischen ca. 0,8 bis 1,5 × D als vorteilhaft erwiesen hat.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest der Stützkolben beschichtet sein kann, zum Beispiel graphitiert, um das Spiel zwischen Stützkolben und Stützzylinder zu minimieren. Bevorzugt wird eine Kolbenmaschine vorgeschlagen, bei der der Stützkolben auf seinem Umfang eine Beschichtung aufweist, bevorzugt eine Einlaufbeschichtung, mittels der der Stützkolben zuerst unter Druck in den Stützzylinder hinein gestopft werden muss und die sich im Betrieb abnutzt, um dadurch einen Spalt zwischen dem Stützkolben und dem Stützzylinder zu schaffen, und/oder bevorzugt eine Schutzbeschichtung, die eine höhere Abriebfestigkeit aufweist als das eigentliche Material des Stützkolbens.
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Es können beispielweise bei einer derartigen Ausgestaltung höhere Fertigungstoleranzen eingeplant werden, da die Einlaufbeschichtung als Opferschicht fungieren kann und somit das Spiel überbrückt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Kolbenmaschine sieht vor, dass der Stützkolben mit einem Dichtelement versehen ist, welches eine gezielte Leckage zulässt, vorzugsweise mittels einer Teilung in einem Stoßbereich des Dichtelements und einem axialen Spiel zwischen einer Höhe des Dichtelements einerseits und andererseits einer Nuthöhe einer Nut, in der das Dichtelement angeordnet ist.
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Ein Dichtelement, das für eine gezielte Leckage sorgen kann, sieht beispielweise einen Dichtring aus Kunststoff vor, der an einer Stoßstelle, die zur Montage benötigt wird, diagonal geteilt ist. Über den Winkel des Stoßes und dem axialen Spiel, d. h. Dichtringhöhe zu Nuthöhe, kann ein Leckagestrom durch diese Form der Definierung des Leckagepfads eingestellt werden, zum Beispiel zur Entlüftung.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Stützkolben entlang seines Außenumfangs ein oder mehrere zumindest teilweise umlaufende Rillen aufweist. Bevorzugt kann der Stützkolben an der Außenseite mit kleinen Nuten ausgeführt sein. Diese sorgen für eine zusätzliche Dichtwirkung, da der Leckagestrom hier verwirbelt.
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Eine Weiterbildung, die aber auch unabhängig von anderen Ausgestaltungen sein kann, sieht eine Kolbenmaschine vor, bei der der Stützkolben mit einem Element des Verstellgestänges mittels einer Kugelkopfverbindung verbunden ist. Bevorzugt ist die Verbindung zwischen einer Stützstange des Verstellgestänges und dem Stützkolben als Kugelkopf-Verbindung ausgeführt. Dieses kann insbesondere in Form einer Bischofsmützen-Kontur erfolgen. Dadurch wird die wirksame Dichtlänge nicht durch einen Bolzen unterbrochen.
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Damit die Hertzschen Pressungen so gering wie möglich bleiben, wird folgendes für die Kugelkopfverbindung vorgeschlagen:
- – ein Kugeldurchmesser soll so groß wie möglich sein, d. h. eine Kontakt-Länge der Linienberührung ist zu maximieren;
- – der Stützkolben darf dadurch aber nicht so dünnwandig werden, das die Deformationen zum Klemmen führen;
- – ein Verhältnis Kugeldurchmesser/Stützkolbendurchmesser soll bevorzugt in einem Bereich von 0,70 zu 0,85 liegen.
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Eine Ausgestaltung sieht hierfür vor, dass die Kolbenmaschine einen Stützkolben mit einer Innenkontur aufweist, die ballig ist, auf der ein Kopf der Kugelkopfverbindung aufliegt. Die Aufliegefläche kann beispielsweise reibmindernd beschichtet sein.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Kolbenmaschine eine stirnseitige Außenkontur des Stützkolbens aufweist, die ballig ist. Die Stützkkolbenkontur kann ballig ausgeführt werden, wodurch die Klemmneigung bei kleinen Spielen vermindert wird.
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Eine Weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Kolbenmaschine zumindest einen Stützkolben mit einer Geometrie aufweist, die bei Druckaufbringung über das Verstellgestänge ein Aufweiten des Stützkolbens erlaubt, wobei ein Spaltabstand zwischen Innenfläche des Stützzylinders und einer gegenüberliegenden Außenfläche des Stützkolbens verringert wird.
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In Verbindung mit dem Kugelkopf kann auch über eine zusätzliche Entlüftungsbohrung in den Kolben eingebracht werden, da der Kugelsitz unter Druck eine Dichtwirkung hat. Für diesen Fall ist zum Beispiel vorgesehen, dass keine Luft rückwärts angesaugt werden kann. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass zu den Zeitpunkten im Zyklus, in denen eine Zugkraft an den Stützstangen wirkt, in jedem Fall der Mediumdruck in den Stützzylindern größer ist als der Druck im Kurbelgehäuse.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht eine Kolbenmaschine vor, bei der der Stützkolben eine durchgehende Entlüftungsbohrung aufweist, deren eines Ende in einem Bereich einer Kolbenstirnseite des Stützkolbens in eine erste Seite des Stützzylinders mündet und deren anderes Ende in eine zweite Seite des Stützzylinders mündet, wobei die erste und die zweite Seite des Stützzylinders voneinander durch den Stützkolben getrennt sind.
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Bevorzugt wird die Kolbenmaschine in Form einer Verbrennungskraftmaschine eines Straßenfahrzeugs verwendet, wobei die Verbrennungskraftmaschine einen einstellbaren Hub zur Verdichtungsänderung während des Betriebs unter Nutzung des zumindest einen exzentrisch verstellbaren Brennraumkolbens aufweist, wobei zumindest eine exzentrische Verstellung mittels einwirkender Gas- und/oder Massekräfte auf das zumindest eine Verstellgestänge ausführbar ist.
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Die vorgeschlagene Kolbenmaschine weist bevorzugt eine Ausgestaltung auf, bei der das mitrotierende Pleuel einen ersten und einen zweiten Stützkolben hat, die über das Verstellgestänge miteinander verbunden sind, wobei der erste Stützkolben mit dem Verstellgestänge über eine Kugelkopf-Verbindung und der zweite Stützkolben mit dem Verstellgestänge über eine Bolzen-Verbindung verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der bevorzugt mit einer der oben vorgeschlagenen Kolbenmaschine beispielhaft ausführbar ist, wird ein Verfahren zur Verstellung einer Verdichtung einer Kolbenmaschine mittels eines exzentrisch verstellbaren Kolbenhubs vorgeschlagen, wobei die Verstellung des Kolbenhubs unter Ausnutzung von wirkenden Masse- und/oder Gaskräften erfolgt, die dazu auf ein Verstellgestänge und einen daran angeordneten Stützkolben einwirken, wobei der Stützkolben in einem Stützzylinder verfährt, wobei in dem Stützzylinder Öl der Kolbenmaschine als dämpfendes Medium einer Bewegung des Stützkolbens entgegenwirkt, wobei zwischen dem Stützkolben und dem Stützzylinder das Öl entlang eines gezielten Leckagepfads strömen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung eines Gedankens der Erfindung betrifft ein Verfahren, welches bevorzugt auch mit dem obigen Verfahren zusammen angewendet werden kann, zur Verstellung einer Verdichtung einer Kolbenmaschine, bevorzugt mit einer oben beschriebenen Ausgestaltung einer Kolbenmaschine, wobei die Verstellung des Kolbenhubs unter Ausnutzung von wirkenden Masse- und/oder Gaskräften erfolgt, die dazu auf ein Verstellgestänge und einen daran angeordneten Stützkolben einwirken, wobei der Stützkolben in einem Stützzylinder verfährt, wobei in dem Stützzylinder Öl der Kolbenmaschine als dämpfendes Medium einer Bewegung des Stützkolbens entgegenwirkt, wobei bei einem Losbrechmoment von 0,7 Nm oder weniger eine Reibung zwischen Stützkolben und Stützzylinder überwunden und eine Verstellung des Stützkolbens im Stützzylinder erfolgt.
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Bevorzugt ist das Losbrechmoment am Stützkolben beim ersten Betrieb der Kolbenmaschine höher und baut bei länger andauernder Nutzung der Kolbenmaschine langsam ab. Insbesondere kann durch einen wirkenden Druck im Stützzylinder eine Steifigkeit zum Beispiel eines Dichtelements abnehmen. Bei kleinen Drehzahlen wie zum Beispiel 1000 U/min kann ein Losbrechmoment etwa 0,7 Nm in OT betragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die aus den Figuren jeweils hervorgehenden Ausgestaltungen dienen jeweils zur Erläuterung der Erfindung, ohne diese aber beschränken zu wollen. Vielmehr können ein oder mehrere Ausgestaltungen miteinander kombiniert wie auch ein oder mehrere Merkmale aus einer Figur bzw. der obigen Beschreibung mit ein oder mehreren Merkmalen aus einer anderen Figur bzw. der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpft werden. Es zeigen:
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1 zeigt eine Ausgestaltung, mittels der eine einstellbare Änderung eines Verdichtungsverhältnisses bei einer Kolbenmaschine
1 in Form einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine ermöglicht ist. Im Folgenden werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Pleuel
17 weist ein großes Pleuellagerauge
3 und ein kleines Pleuellagerauge
2 auf. In dem kleinen Pleuellagerauge
2 ist wiederum ein Exzenter
5 angeordnet, der drehbar gelagert ist. Der Exzenter
5 weist eine Bohrung
18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf. An einer Außenfläche weist der Exzenter
5 eine Verzahnung
19 auf. Mit dieser Verzahnung
19 ist der Exzenter
5 mit einem Hebelsystem
20 verbunden, das als Abstützmechanik und vorzugsweise auch als Rücklaufsperre wirkt. Das Hebelsystem
20 weist einen ersten Hebel
21 und einen zweiten Hebel
22 auf. Über das Hebelsystem
20 sind die beiden Hebel
21,
22 fest miteinander gekoppelt. Über die Verzahnung
19 wiederum sind die Hebel
21,
22 somit auch drehfest mit dem Exzenter
5 verbunden. Das Hebelsystem
20 mit den Hebeln
21,
22 ist in einer Ausnehmung
23 im zweiten Pleuel
17 angeordnet. Aus
1 ist weiterhin zu entnehmen, dass das Hebelsystem
20 in der Ausnehmung
23 axial geführt ist. Ferner weist das Hebelsystem
20 Verbindungsgelenke
24 auf. Über die Verbindungsgelenke
24 sind Stangen
25 angelenkt. Im zweiten Pleuel
17 wiederum sind Stützzylinderbohrungen
26 angeordnet. In diesen werden Stützkolben
27 geführt, an denen die Stangen
25 angelenkt sind. Durch diese Anordnung steht ein jeweiliger Hub der beiden Stützkolben in direkter Beziehung zu einem Verdrehwinkel des Exzenters
5. Die Stützzylinderbohrungen
26 im Pleuel
17 sind durch Rückschlagventile
28 zum großen Pleuellagerauge
3 hin verschlossen, so dass jeweils ein Arbeitsraum
29 gebildet wird. Der Arbeitsraum kann somit als Dämpfungsvolumen wie auch als Abstützung im Falle einer Rücklaufsperre dienen. Im großen Pleuellagerauge
3 sind Pleuellagerschalen
30 angeordnet. Die Pleuellagerschalen
30 sind mit Durchbrüchen
31 versehen. Da die Lagerschalen
30 mit einer umlaufenden Nut versehen sind, die in Verbindung mit einer Ölversorgung über die Kurbelwelle steht, liegt in der Nut zu jedem Zeitpunkt ein Öldruck an. Dieser Öldruck überträgt sich zu jedem Zeitpunkt auf die Rückschlagventile
28. Diese öffnen sich bzw. sind verschlossen in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum
29 vorliegenden Arbeitsdruck. Der genaue Ablauf eines möglichen Änderns des Verdichtungsverhältnisses geht im Übrigen näher aus dem oben angeführten Stand der Technik näher hervor, insbesondere zum Beispiel aus der
DE 10 2005 055 199 A1 .
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Die Funktionsweise des Pleuels 17 zur Einstellung eines anderen Verdichtungsverhältnisses wird beispielhaft im Folgenden am Beispiel einer Einstellung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses erläutert. Wird im Motorbetrieb ein niedriges Verdichtungsverhältnis gewünscht, so wird zum Beispiel ein 3/2-Wegeventil in eine spezielle Stellung gebracht. In denjenigen Motorphasen, in denen Druckkräfte auf dem Pleuel 17 lasten, baut sich in dem ersten Arbeitsraum 29.1 ein Druck auf. Eine Steuerkante 35 des Schaltelementes 31 gibt eine Abflussbohrung 36 frei. Dadurch kann das sich im ersten Arbeitsraum 29.1 befindliche Öl verdrängt werden. Gleichzeitig wird frisches Öl in den zweiten Arbeitsraum 29.2 hineingesaugt. Der Exzenter 5 kann sich somit in Richtung des Pfeils 37 in 1 verdrehen. Kehrt sich eine Triebwerkskraft um, bevor der zweite Stützkolben 27.2 den durch einen Verschlussstopfen 38 gebildeten mechanischen Anschlag erreicht, kommt eine Eintauchbewegung kurzfristig zum Erliegen, bis wieder eine Druckkraft auf dem Pleuel 17 lastet. Eine Verdrehung des Exzenters 5 in Gegenrichtung ist nicht möglich, da der erste Arbeitsraum 29.1 verschlossen ist und der erste Stützkolben 27.1 nicht eintauchen kann. Je nach Auslegung von einem oder mehreren hydraulischen Widerständen und einer Größe der Triebwerkskräfte kann sich daher ein Eintauchvorgang über mehrere Arbeitsspiele erstrecken. Der hydraulische Widerstand wird vorzugsweise durch die Verbindungsleitung oder durch eine darin befindliche Drosselstelle gebildet. Ein Verstellvorgang ist vorzugsweise beendet, wenn der zweite Stützkolben 27.2 am Rückschlagventil 29 angekommen ist.
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Diese Ausgestaltung eines Verfahrens ist nur beispielhaft, ebenso wie der Aufbau des Pleuels, und nicht beschränkend. Die verwendeten Stützkolben weisen einen definierten Leckagepfad auf, der hier in Bezug auf den ersten Stützkolben 27.1 vergrößert in Form einer speziellen Dichtungsgestaltung eines Dichtelements ermöglicht ist. Der zweite Dichtungskolben 27.2 hingegen weist hingegen kein Dichtelement auf, da der Spalt zwischen dem zweiten Dichtungskolben 27.2 und dem Stützzylinder wie oben beschrieben den definierten Leckagepfad bilden.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Stützkolbens mit einer Kugelkopfverbindung, wobei in dem Stützzylinder eine Entlüftungsbohrung angeordnet ist.
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3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung einer Kugelkopfverbindung des Stützzylinders, wobei der Stützzylinder eine ballige Stirnfläche aufweist.
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4 zeigt eine Ausgestaltung eines Stützzylinders, der eine Kontur aufweist, die bei Druck zu einer Spaltverengung zwischen Stützzylinder und Stützkolben durch Aufweitung des Stützkolbens führt. Die Kontur an der Stirnseite mit ihrer bevorzugt umlaufenden Ausnehmung ermöglicht, dass die Steifigkeit des Stützkolbens an der Stirnseite gezielt am äußeren Umfang geschwächt wird, so daß der Öldruck zu einer kleinen Deformation des Stützkolbens führt und damit das Spiel verkleinert, wobei die Verkleinerung druckabhängig erfolgt.
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5 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung ein zumindest 2-stufiges VCR-System basierend auf dem Prinzip einer variablen Pleuellänge. Hierzu ist ein Exzenter zur Aufnahme des Kolbenbolzens im kleinen Pleuelauge schwenkbar gelagert. Die auf den Kolben wirkenden Gas- und Massenkräfte führen zu einem auf den Exzenter wirkenden Moment. Ein Abstützmechanismus, aufweisend einen Hebel, zwei Stützstangen und zwei Stützkolben, ist mit dem Exzenter verbunden und überträgt dieses Moment auf zwei im Pleuel eingebrachte Stützzylinder. Der in Exzentrizitäts-Richtung weisende Stützzylinder übernimmt die Abstützung der aus den Gaskräften resultierenden Momenten, der gegenüberliegende Zylinder äquivalent die der Massenkräfte. Nachfolgend werden die beiden Seiten des Pleuels daher „GKS”, ausgeschrieben GasKraftSeite, und „MKS”, ausgeschrieben MassenKraftSeite, genannt. Beide Stützzylinder können bei Bedarf vom Hublager mit Öl gefüllt werden, ein jedem Stützzylinder zugeordnetes Rückschlagventil verhindert ein Abfließen des Öls. Über zum Beispiel ein 3/2-Wege Schaltventil lässt sich wahlweise die GKS bzw. die MKS öffnen. Diese Kombination aus Rückschlagventilen und Schaltventilen bildet einen hydraulischen Freilauf, dessen Laufrichtung wählbar ist. Im Falle der gewählten Stellung eines hohes Verdichtungsverhältnises, auch „ε_high” genannt, stützen sich die auf den Exzenter mathematisch positiv wirkenden Momente auf der Ölsäule der GKS ab. Die aus den Massenkräften herrührenden mathematisch negativ wirkenden Momente werden in dieser Stellung über einen direkten, metallischen Kontakt des MKS-Stützkolbens auf das Pleuel übertagen. In der Stellung eines niedriges Verdichtungsverhältnises, abgekürzt „ε_low”, sind die Verhältnisse vertauscht. Ein positiver Nebeneffekt für die Stellung „ε_low” ist, dass die in dieser Stellung üblicherweise höheren Gaskräfte sich nun nicht mehr auf der Ölsäule abstützen und so der Öldruck in dem Stützzylinder auf einem niedrigeren Niveau bleibt. Das Verstellsystem des derartigen Abstützsystems ist somit mit einem ersten und zweiten Stützkolben versehen, wobei die beiden Stützkolben unterschiedliche Verbindungen mit der jeweiligen Stützstange besitzen: der eine Stützkolben, der eine Kugelkopfverbindung aufweist, hat einen kleineren Stützkolbendurchmesser als der andere Stützkolben, der eine Bolzenverbindung aufweist. Der Hebel überträgt das aus der Exzentrizität entstehende Moment, das durch die immer weiter ansteigenden Verbrennungssspitzendrücken der heutigen, hoch aufgeladenen Ottomotoren bei mehr als 300 Nm liegen kann, auf die Stützstangen. Die aus dem Verhältnis zwischen Exzentrizität und Hebellänge gebildete Übersetzung liegt in etwa bei 1/10. In Verbindung mit den von der jeweiligen ε-Stellung abhängigen Kraftangriffswinkel zwischen Stützstangen und Hebel ergeben sich so Abstützkräfte die durchaus bei bis zu 10 kN liegen können. Die eine, bevorzugte hebelseitige Gelenkart ist ein klassischer Bolzen. Dieser wird fest mit einer als Gabel ausgeführten Struktur am oberen Ende der Stützstangen verbunden und im Hebel gelagert. Die hier auftretenden Flächenpressungen betragen beispielsweise bis zu 200 MPa. Die Gelenkstelle zu den Stützkolben kann ebenfalls als Bolzenlager ausgeführt werden. Die andere bevorzugte Ausgestaltung sieht ein Kugelgelenk vor. Zum einen ermöglicht dieses einen kleineren Stützkolbendurchmesser, was für die MKS, dessen Kräfte auf einem deutlich niedrigeren Niveau liegen als auf der GKS, zwei sich positiv auswirkende Nebeneffekte hat:
- – Das Pleuel wird leichter, da die Struktur um den Stützzylinder entsprechend nachgezogen werden kann.
- – Durch einen möglichst kleinen MKS Stützkolbendurchmesser ergibt sich aufgrund des Öldrucks ein kleines, aber stetig wirkendes Moment auf den Exzenter in Richtung ε_high. Dieses wirkt sich bei kleinen Motor-Drehzahlen günstig auf das Schaltverhalten aus, da hier die aus den Massenkräften entstehenden, für die Verstellung notwendigen Momente, entsprechend gering sind. Zum anderen ermöglicht der Verzicht auf einen Bolzen die Ausnutzung der gesamten Stützkolbenhöhe als Dichtlänge. Dies ist bevorzugt für den Verzicht auf zusätzliche Dichtelemente, da das System zwar eine gewisse Leckage verträgt – zum Beispiel durch das Hebelverhältnis von ca. 1/10 wirkt sich ein leckagebedingtes Einsacken des Stützkolbens von z. B. 0,1 mm auf die effektive Pleuellänge nur um ca. 10 μm aus –, wenn diese aber zu groß wird, kann das Verdichtungsverhältnis ungewollt „driften”. Ebenfalls erzeugen die Dichtelemente ein zusätzliches Reibmoment während eines Verstellvorgangs. So kann eine Verstellung nur eingeleitet werden, wenn dieses Moment überwunden wird. Das Dichtelement kann somit auch ein Dichtsystem umfassen, bestehend aus einem O-Ring und einem darüber liegenden Rechteckring aus einem PTFE-Verbundmaterial. Dessen Reibung hat beispielweise ein Losbrechmoment des Exzenters von 0,5–0,8 Nm zur Folge. Dieses gering erscheinende Momentenniveau wird aber bei kleinen Drehzahlen für eine Schaltung in Richtung „ε_high” wegen der in diesen Betriebspunkten ebenfalls sehr geringen Massenkräfte nur geringfügig überschritten. Da ein nur geringes Überschußmoment wiederum mit Einbußen bei der Schaltgeschwindigkeit einhergeht, sind die o. g. Maßnahmen für diese extremen Betriebspunkte daher von hoher Bedeutung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040699 A1 [0003]
- DE 102005055199 A1 [0003, 0007, 0040]
- DE 102012014917 A1 [0007]
- DE 102011108790 A1 [0007]
