DE102013222975A1

DE102013222975A1 - Kraftmaschinenbaugruppe mit einem Phaseneinstellungsmechanismus an einer exzentrischen Welle für eine Kraftmaschine mit variablem Zyklus

Info

Publication number: DE102013222975A1
Application number: DE102013222975.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Lionel Jacques; Jeff Jocsak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103835807A; US8794200B2; CN103835807B; US20140137824A1; DE102013222975B4

Abstract

Eine Kraftmaschinenbaugruppe umfasst eine Kurbelwelle, die eine erste Drehachse und einen Kurbelzapfen aufweist, der bezüglich der ersten Drehachse verschoben ist. Eine zweite Welle ist bezüglich der Kurbelwelle verschoben und weist eine zweite Drehachse auf. Ein Kolben ist in einem Zylinder zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition bewegbar, um die Kurbelwelle anzutreiben. Eine Pleuelstange erstreckt sich von dem Kolben. Eine Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen stellt eine verschwenkbare Verbindung zwischen der Pleuelstange, der Kurbelwelle und der zweiten Welle her. Ein Antriebssystem stellt eine funktionale Verbindung zwischen der Kurbelwelle und der zweiten Welle her, um die zweite Welle mittels der Kurbelwelle anzutreiben. Ein Phaseneinstellungsmechanismus verbindet das Antriebssystem und die zweite Welle und ist steuerbar, um die Drehposition der zweiten Welle relativ zu der Kurbelwelle zu variieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegenden Lehren umfassen allgemein eine Kraftmaschinenbaugruppe mit einem Mehrfachgestängesystem und einer verschobenen Welle, die einen Viertaktzyklus eines Kolbens beeinflussen.
HINTERGRUND
Fahrzeugkonstrukteure sind bemüht, Fahrzeuge mit Kraftmaschinen oder anderen Leistungsquellen mit hoher Kraftstoffeffizienz anzutreiben. Mehrfachgestängesysteme, die eine Kurbelwelle, eine exzentrische Welle und einen Kolben verbinden, sind ausgebildet, um den Kolben in einem Zylinder gemäß einem ausgewählten Viertaktarbeitszyklus zu bewegen, wie beispielsweise gemäß einem Atkinson-Zyklus. Obgleich sie für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, beschränken diese Mehrfachgestängesysteme die Bewegung des Kolbens auf lediglich einen Viertaktarbeitszyklus.
Wie hierin verwendet, ist ein Atkinson-Zyklus ein Viertaktarbeitszyklus mit einem Einlasstakt, einem Kompressionstakt, einem Expansionstakt und einem Auslasstakt, wobei der Expansionshub länger als der Kompressionshub ist (d. h., dass ein Expansionsvolumen größer als ein Kompressionsvolumen ist). Das Expansionsverhältnis eines Viertaktarbeitszyklus ist das Verhältnis des Volumens des Expansionstakts zu dem Volumen des Kompressionstakts. Bei zylindrischen Arbeitskammern ist dies das Gleiche wie das Verhältnis der Länge des Expansionshubs zu der Länge des Kompressionshubs. Ein Atkinson-Zyklus weist ein Expansionsverhältnis größer als 1 auf.
Eine Kraftmaschine mit einem wahren Atkinson-Zyklus verringert das Pumpen im Vergleich zu einer Kraftmaschine mit einem ”Pseudo-Atkinson-Zyklus”, die eine Kraftmaschine mit einem herkömmlichen Otto-Zyklus mit einem Expansionsverhältnis von Eins und einem späten Schließen von Einlassventilen ist. Ein wahrer Atkinson-Zyklus verringert die Pumpverluste, die mit dem Ansaugen eines Luft/Kraftstoff-Gemischs in den Zylinder und dessen anschließendem Zurückpumpen aus diesem heraus während des Kompressionstakts verbunden sind, welche bei einer Kraftmaschine mit einem Pseudo-Atkinson-Zyklus mit einem späten Schließen von Einlassventilen inhärent sind. Hierin bedeuten Bezugnahmen auf eine Kraftmaschine mit einem Atkinson-Zyklus einen wahren Atkinson-Zyklus und keine Kraftmaschine mit einem Pseudo-Atkinson-Zyklus. Kraftmaschinen mit Atkinson-Zyklus weisen typischerweise eine geringere Leistung als Kraftmaschinen mit Otto-Zyklus auf, daher ist eine Kraftmaschine mit einem größeren Hubraum erforderlich, um bei einem Betrieb mit weit offener Drossel dasselbe Leistungsniveau zu liefern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Kraftmaschinenbaugruppe geschaffen, die ein Mehrfachgestängesystem und eine bezüglich der Phase eingestellte exzentrische Welle verwendet, um eine Bewegung eines Kolbens gemäß einem Viertaktarbeitszyklus zu bewirken, aber ermöglicht, dass der Arbeitszyklus variiert wird, um sich verändernde Ausgabeanforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus ist die Kraftmaschinenbaugruppe derart ausgebildet, dass die obere Totpunktposition des Kolbens um weniger als 1 Millimeter abgesenkt wird, wenn der Mechanismus bezüglich der Phase von einem Betrieb im Atkinson-Zyklus zu einem Betrieb im Otto-Zyklus übergeleitet wird, um die Auswirkung der zunehmenden Kompressionshublänge auf das geometrische Kompressionsverhältnis auszugleichen. Infolgedessen wird das geometrische Kompressionsverhältnis relativ konstant gehalten, wenn der Mechanismus bezüglich der Phase umgeschaltet wird. Beispielsweise kann das geometrische Kompressionsverhältnis (CR) bei einer Ausführungsform innerhalb ± 0,3 CR des nominellen CR liegen, das bei einem vollständigen Atkinson-Betrieb definiert ist.
Die Kraftmaschinenbaugruppe umfasst einen Kraftmaschinenblock, der einen Zylinder definiert. Die Kraftmaschinenbaugruppe umfasst auch eine Kurbelwelle, die eine erste Drehachse und einen Kurbelzapfen aufweist, der bezüglich der ersten Drehachse verschoben ist. Eine zweite Welle ist bezüglich der Kurbelwelle verschoben und weist eine zweite Drehachse sowie einen exzentrischen Abschnitt auf, der bezüglich der zweiten Drehachse verschoben ist. Ein Kolben ist mit der Kurbelwelle funktional verbunden und in dem Zylinder zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition bewegbar, um die Kurbelwelle anzutreiben. Eine Pleuelstange erstreckt sich von dem Kolben. Eine Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen stellt eine verschwenkbare Verbindung zwischen der Pleuelstange, der Kurbelwelle und der zweiten Welle her. Der Kolben ist mit der Pleuelstange verschwenkbar verbunden, um an einer Schwenkachse zu verschwenken, und der Zylinder ist derart ausgebildet, dass die Schwenkachse mit der ersten Drehachse entlang einer Mittelachse des Zylinders ausgerichtet ist. Ein Antriebssystem stellt eine funktionale Verbindung zwischen der Kurbelwelle und der zweiten Welle her, um die zweite Welle mittels der Kurbelwelle anzutreiben. Ein Phaseneinstellungsmechanismus ist mit der zweiten Welle funktional verbunden und ist steuerbar, um die Drehposition der zweiten Welle relativ zu der Kurbelwelle zu variieren, um dadurch den Betrieb des Kolbens in dem Zylinder zwischen einem Otto-Zyklus und einem Atkinson-Zyklus zu variieren.
Ein Viertaktzyklus des Kolbens kann durch den Phaseneinstellungsmechanismus variiert werden, um an Änderungen in der angeforderten Leistung angepasst zu werden, wodurch die angeforderte Ausgangsleistung mit Effizienzüberlegungen ins Gleichgewicht gebracht wird. Beispielsweise können Effizienzvorteile eines Atkinson-Zyklus erreicht werden, während derselben Kraftmaschine ermöglicht wird, als eine Kraftmaschine mit Otto-Zyklus zu laufen, wenn dies für einen Betrieb mit weit offener Drossel erforderlich ist. Wie hierin verwendet, ist ein ”Atkinson-Zyklus” ein Viertaktarbeitszyklus mit einem Expansionshub, der länger als ein Kompressionshub ist, was zu einem Expansionsverhältnis größer als Eins führt. Wie hierin verwendet, ist ein ”Otto-Zyklus” ein Viertaktarbeitszyklus mit einem im Wesentlichen gleichen Expansionshub und Kompressionshub (d. h. einem Expansionshub von im Wesentlichen dem gleichen Volumen wie der Kompressionshub, was zu einem Expansionsverhältnis von Eins führt).
Indem die Schwenkachse des Kolbens entlang der Mittelachse des Zylinders mit der Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet wird, wird zusätzlich zu dem Hinzufügen eines Phaseneinstellungsmechanismus die Veränderung der oberen Totpunktposition minimiert, während bei einer Ausführungsform das Verhältnis von Expansion zu Kompression von ungefähr 1,4:1 bis 1:1 variiert werden kann. Ohne diese Ausrichtung könnte eine übermäßige Veränderung sowohl der oberen Totpunktposition als auch der unteren Totpunktposition des Kolbens in den verschiedenen Takten auftreten, wodurch große Veränderungen im geometrischen Kompressionsverhältnis und bei den eingeschlossenen Restgasen aus dem vorhergehenden Zyklus bewirkt werden könnten und möglicherweise ein Klopfen der Kraftmaschine, eine Fehlzündung der Kraftmaschine und eine geringe volumetrische Effizienz und Leistung verursacht werden könnten.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren sind anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der vorliegenden Lehren leicht ersichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Abschnitts einer Kraftmaschinenbaugruppe, der einen Kolben, eine Kurbelwelle und eine exzentrische Welle zeigt, die durch ein Gestänge mit mehreren Verbindungen funktional verbunden sind.
2 ist eine schematische Darstellung des Abschnitts der Kraftmaschinenbaugruppe von 1 in Seitenansicht.
3 ist eine schematische Darstellung des Abschnitts der Kraftmaschinenbaugruppe von 1 in einer teilweise fragmentarischen Querschnittsansicht entlang der Linien 3-3 in 1 und zeigt einen Kraftmaschinenblock, der einen Zylinder bildet, in dem sich ein Kolben bewegt.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Kolbenauslenkung über einem Kurbelwinkel für eine Bewegung eines Kolbens unter Verwendung verschiedener Gestängebaugruppen mit mehreren Verbindungen, welche den Kolben und die Kurbelwelle von 1 umfassen, bei verschiedenen Phasenwinkeln und Hublängen.
5 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Kraftmaschinenbaugruppe an dem Ende eines Auslasstakts eines Atkinson-Viertaktarbeitszyklus.
6 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 5 an dem Ende eines Expansionstakts des Atkinson-Viertaktarbeitszyklus.
7 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 5 an dem Ende eines Kompressionstakts des Atkinson-Viertaktarbeitszyklus.
8 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 5 an dem Ende eines Einlasstakts des Atkinson-Viertaktarbeitszyklus.
9 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 5–8 an dem Ende eines Auslasstakts eines Otto-Viertaktarbeitszyklus.
10 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 9 an dem Ende eines Expansionstakts des Otto-Viertaktarbeitszyklus.
11 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 9 an dem Ende eines Kompressionstakts des Otto-Viertaktarbeitszyklus.
12 ist eine schematische Darstellung der Kraftmaschinenbaugruppe von 9 an dem Ende eines Einlasstakts des Otto-Viertaktarbeitszyklus.
13 ist ein Diagramm, das an der linken vertikalen Achse eine Kompressionshublänge in Millimetern und an der rechten vertikalen Achse eine obere Totpunktposition eines Kolbens sowie ein Kompressionsverhältnis über dem Phasenwinkel der zweiten Welle darstellt.
14 ist eine schematische Darstellung eines Hybridantriebsstrangs mit einer zweiten Ausführungsform einer Kraftmaschinenbaugruppe, die mit derjenigen von 1 identisch ist, aber mit einem elektrischen Phasensteller, der anstelle eines mechanischen Phasenstellers verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder identische Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu identifizieren, zeigen 1–3 einen Abschnitt einer ersten Ausführungsform einer Kraftmaschinenbaugruppe 10, die eine Gestängebaugruppe 12 mit vier Verbindungen und mit einem Phaseneinstellungsmechanismus 14 aufweist, der eine Phaseneinstellung einer zweiten Welle 16 relativ zu einer Kurbelwelle 18 ermöglicht, um den Betrieb eines Kolbens 19 zwischen zwei verschiedenen Viertaktarbeitszyklen zu variieren, wie beispielsweise zwischen einem Atkinson-Viertaktarbeitszyklus und einem Otto-Viertaktarbeitszyklus, ohne auf diese beschränkt zu sein. Darüber hinaus ist die Kraftmaschinenbaugruppe 10 derart ausgebildet, dass der größte Teil des Unterschieds zwischen den zwei Zyklen bezüglich des Hubs des Kolbens 19 auf der unteren Totpunktposition des Kolbens 19 in dem Zylinder 20 beruht, wobei die obere Totpunktposition des Kolbens 19 ebenso um weniger als einen Millimeter an dem Ende des Kompressionstakts in dem Otto-Zyklus relativ zu dem Atkinson-Zyklus abgesenkt wird.
3 zeigt den Kolben 19 in einem Zylinder 20, der in einem Kraftmaschinenblock 22 definiert ist, beispielsweise durch Gießen oder Bohren. Ein Zylinderkopf 24 ist an dem Kraftmaschinenblock 22 angebracht und trägt zumindest ein Einlassventil 26 und zumindest ein Auslassventil 28 oberhalb des Zylinders 20. Die Ventile 26, 28 werden auf eine beliebige bekannte Weise gesteuert, wie beispielsweise durch eine Nockenwelle, eine Hydraulik oder auf andere Weise, um angehoben und abgesenkt zu werden und dadurch zu ermöglichen, dass Luft während eines Viertaktarbeitszyklus des Kolbens 19 durch einen Einlassdurchgang 30 eintritt und durch einen Auslassdurchgang 32 austritt. Der Zylinderkopf 24 trägt auch eine Zündkerze 34 und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 36, um eine Verbrennung in dem Zylinder 24 zu ermöglichen, wie es hierin beschrieben ist. Obgleich lediglich ein Kolben 19 und ein Zylinder 20 gezeigt sind, definiert der Kraftmaschinenblock 22 mehrere Zylinder 20, von denen jeder einen Kolben wie den Kolben 19 enthält, welcher durch eine Gestängebaugruppe 12 wie diejenige, die gezeigt ist, mit der Kurbelwelle 18 und der exzentrischen Welle 16 funktional verbunden ist. Ein ähnlicher Kraftmaschinenblock 22 mit mehreren Zylindern 20 ist als Teil eines Hybridantriebsstrangs 300 in 13 gezeigt.
Wie es am besten in 3 gezeigt ist, weist die Kurbelwelle 18 eine erste Drehachse 38 auf. Die Kurbelwelle 18 ist eine exzentrische Welle, da sie einen Kurbelzapfen 40 mit einer Kurbelzapfenachse 42 aufweist, die bezüglich der ersten Drehachse 38 verschoben ist und parallel zu dieser verläuft. Ähnlich wie die Kurbelwelle 18 ist auch die zweite Welle 16 eine exzentrische Welle. Die zweite Welle 16 weist eine zweite Drehachse 44 und einen exzentrischen Abschnitt 46 mit einer Achse 48 für den exzentrischen Abschnitt auf, die bezüglich der zweiten Drehachse 44 verschoben ist und parallel zu dieser verläuft.
Der Kolben 19 ist mit der Kurbelwelle 18 funktional verbunden und in dem Zylinder 20 gemäß einem gewünschten Viertaktzyklus linear bewegbar, welcher einen Einlasstakt, einen Kompressionstakt, einen Expansionstakt und einen Auslasstakt aufweist, um die Kurbelwelle 18 anzutreiben. Bei einem ersten Viertaktzyklus, der in 5–8 gezeigt ist, bewegt sich eine obere Fläche 53 des Kolbens 19 in einem Einlasstakt (bei einer Bewegung des Kolbens von 5 zu 8) von einer oberen Totpunktposition 50 zu einer unteren Totpunktposition 52 und in einem Kompressionstakt (bei einer Bewegung des Kolbens 19 von 8 zu 7) von der unteren Totpunktposition 52 zu der oberen Totpunktposition 50. Der Kolben 19 bewegt sich in einem Expansionstakt (bei einer Bewegung des Kolbens von 7 zu 6) von der oberen Totpunktposition 50 zu einer unteren Totpunktposition 54 und in einem Auslasstakt (bei einer Bewegung des Kolbens von 6 zu 5) von der unteren Totpunktposition 54 zu der oberen Totpunktposition 50. Die untere Totpunktposition 54 ist niedriger als die untere Totpunktposition 52. Dementsprechend ist die Länge des Expansionshubs (von der oberen Totpunktposition 50 zu der unteren Totpunktposition 54) länger als die Länge des Kompressionshubs (von der Position 52 zu der Position 50). Der Viertaktarbeitszyklus von 5–8 weist daher ein Expansionsverhältnis größer als 1 auf und ist ein wahrer Atkinson-Zyklus.
Wie hierin diskutiert wird, kann die untere Totpunktposition eines Einlasstakts durch den Betrieb des Phaseneinstellungsmechanismus 14 und aufgrund der relativen Ausrichtung des Zylinders 20 und der Kurbelwelle 18 während eines Otto-Zyklus (in 9–12 dargestellt) auf eine niedrigere untere Totpunktposition 59 verändert werden, was ein Expansionsverhältnis von Eins liefert. Die obere Totpunktposition 57 des Kompressionstakts wird ebenso leicht um ungefähr 0,8 mm auf die Position 57 von 11 abgesenkt. Wie hierin weiter diskutiert wird, stellt dies sicher, dass das geometrische Kompressionsverhältnis (CR) des Otto-Zyklus nur leicht von demjenigen des Atkinson-Zyklus abweicht. Die Länge des Expansionshubs (von der oberen Totpunktposition 57 bis zu der unteren Totpunktposition 55) ist gleich der Länge des Kompressionshubs (von der unteren Totpunktposition 59 bis zu der oberen Totpunktposition 57), was ein Expansionsverhältnis von Eins liefert. Das heißt, dass die untere Totpunktposition 59 die gleiche ist wie die untere Totpunktposition 55. Optional können andere untere Totpunktpositionen zwischen den Positionen 52, 54 und obere Totpunktposition niedriger als 50 ebenso durch die Steuerung des Phaseneinstellungsmechanismus 14 erreicht werden.
Eine Pleuelstange 56 ist an einer Schwenkachse 58, die hierin als eine vierte Schwenkachse bezeichnet wird, mit dem Kolben 19 verschwenkbar verbunden und erstreckt sich von diesem. Die Pleuelstange 56 ist an einem entgegengesetzten Ende an einer Schwenkachse 62, die hierin als eine erste Schwenkachse bezeichnet wird, mit einem ersten Gestängeelement 60 verschwenkbar verbunden. Die Kurbelwelle 18 und der Kurbelzapfen 40 sind relativ zu dem ersten Gestängeelement 60 um die erste Drehachse 38 derart drehbar, dass die Kurbelzapfenachse 42 als eine Schwenkachse des ersten Gestängeelements 60 dient.
Ein zweites Gestängeelement 64, das auch als eine Schwenkstange bezeichnet wird, ist an einem Ende an einer dritten Schwenkachse 66 mit dem ersten Gestängeelement 60 und an einem entgegengesetzten Ende mit dem konzentrischen Abschnitt 46 verschwenkbar verbunden. Die zweite Welle 16 und der exzentrische Abschnitt 46 sind relativ zu dem zweiten Gestängeelement 64 derart um die zweite Drehachse 44 drehbar, dass die Achse 48 für den exzentrischen Abschnitt als eine Schwenkachse des zweiten Gestängeelements 64 dient.
Das erste Gestänge 60 und das zweite Gestänge 64 bilden zusammen die Gestängebaugruppe 12 mit vier Verbindungen, welche die Bewegung der Pleuelstange 56 und dadurch die Hublänge des Kolbens 19 während des Viertaktarbeitszyklus steuert. Die Bewegung der Pleuelstange 56 wird auch durch die relative Winkelausrichtung der Kurbelwelle 18 und der zweiten Welle 16 beeinflusst, welche durch den Phaseneinstellungsmechanismus 14 hergestellt wird. Die vier Verbindungen der Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen befinden sich an den Schwenkachsen 62 und 66, an der Kurbelzapfenachse 42 und an der Achse 48 für den exzentrischen Abschnitt. Anders ausgedrückt ist die Verbindung der Pleuelstange 56 mit dem ersten Gestängeelement 60 eine erste Verbindung, die Verbindung des zweiten Gestängeelements 64 mit dem ersten Gestängeelement 60 ist eine zweite Verbindung, die Verbindung des Kurbelzapfens 42 mit dem ersten Gestängeelement 60 ist eine dritte Verbindung, und die Verbindung des exzentrischen Nockens 46 mit der zweiten Drehachse 64 ist eine vierte Verbindung.
Wie es schematisch in 14 dargestellt ist, sind die Kurbelwelle 18 und die zweite Welle 16 durch den Kraftmaschinenblock 22 über Lager drehbar getragen. Die entsprechenden Drehachsen 38, 44 verschieben sich daher nicht. Die Kurbelwelle 18 treibt die zweite Welle 16 über ein Antriebssystem 70 drehbar an, das in 1 und 2 gezeigt ist. Bei der ersten Ausführungsform der Kraftmaschinenbaugruppe 10 umfasst das Antriebssystem 70 eine erste Scheibe 72, die mit der Kurbelwelle 18 verbunden und mit dieser um die erste Drehachse 38 drehbar ist. Die erste Scheibe 72 weist Zähne 74 auf, die mit Zähnen 76 einer zweiten Scheibe 78 kämmen. Die zweite Scheibe 78 kann an Lagern durch den Kraftmaschinenblock 22 drehbar getragen sein. Eine dritte Scheibe 80 ist mit der zweiten Welle 16 verbunden und mit dieser um die zweite Drehachse 44 drehbar. Ein Riemen 82 steht mit der zweiten Scheibe 78 und der dritten Scheibe 80 in Eingriff. Der Riemen 82 steht mit Zähnen 84 an der dritten Scheibe 80 in Eingriff. Die zweite Welle 16 wird daher durch die Kurbelwelle 18 über das Antriebssystem 70 angetrieben. Die Scheiben 72, 78 und 80 sind derart bemessen, dass sich die zweite Welle 16 in einer entgegengesetzten Drehrichtung wie die Kurbelwelle 18 bei der halben Drehzahl dreht.
Es können andere Ausführungsformen der Antriebssysteme verwendet werden, um die zweite Welle 16 anzutreiben. Beispielsweise zeigen 5–12 schematisch eine andere Ausführungsform einer Kraftmaschinenbaugruppe 110, die mit der Kraftmaschinenbaugruppe 10 funktional identisch ist. Die Kraftmaschinenbaugruppe 110 weist ein Antriebssystem 170 auf, das aus einem ersten Zahnrad 172, das angebracht ist, um sich mit der Kurbelwelle 18 um die erste Drehachse 38 zu drehen, und einem zweiten Zahnrad 180 besteht, das angebracht ist, um sich mit der zweiten Welle 16 um die zweite Drehachse 44 zu drehen. Das zweite Zahnrad 180 weist den doppelten Durchmesser des ersten Zahnrads 172 auf, so dass sich die zweite Welle 16 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 18 dreht. Jedes der Zahnräder 172, 180 weist Zähne auf, die zu Zwecken der Klarheit in den Zeichnungen nicht gezeigt sind. Die Kurbelwelle 18, die zweite Welle 16 und der Phaseneinstellungsmechanismus 114 sind in 5, aber nicht in 6–12 gezeigt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist der Phaseneinstellungsmechanismus 14 der Kraftmaschinenbaugruppe 10 ein mechanischer Phasensteller und spezieller ein hydraulischer Phasensteller mit Schaufeln. Der Phaseneinstellungsmechanismus 14 weist einen Rotor 85 auf, der mit diesem verbunden ist, um sich mit der zweiten Welle 16 um die zweite Drehachse 44 zu drehen. Der Phaseneinstellungsmechanismus 14 weist auch einen Stator 86 auf, der mit diesem verbunden ist, um sich mit der dritten Scheibe 80 zu drehen. Schaufeln 87 erstrecken sich an dem Rotor 85 radial nach außen. Hohlräume 88 sind zwischen den Schaufeln 87 und dem Stator 86 gebildet. Ein elektronischer Controller 89 steuert einen Ventilmechanismus 90, um ein Hydraulikfluid in den Hohlräumen 88 auf jeder Seite der Schaufeln 87 hinzuzufügen oder abzulassen, wodurch die relative Winkelausrichtung des Rotors 85 relativ zu dem Stator 86 verändert wird. Durch die Veränderung der relativen Winkelausrichtung des Rotors 85 relativ zu dem Stator 86 wird die Winkelausrichtung der zweiten Welle 16 relativ zu derjenigen der ersten Welle 18 verändert. Aufgrund der Gestängebaugruppe 12 mit vier Verbindungen ändert sich die Hublänge des Kompressionshubs des Kolbens 19, wodurch ein anderer Viertaktarbeitszyklus eingestellt wird. Die Modifikation der Hublänge wird spezieller bezogen auf die Kraftmaschinenbaugruppe 110 von 5–12 beschrieben.
Die Kraftmaschinenbaugruppe 110 verwendet einen elektrischen Phasensteller 114 anstelle eines mechanischen Phasenstellers. Der elektrische Phasensteller 114 wird derart gesteuert, dass die Winkelausrichtung der zweiten Welle 16 durch einen Controller 189 auf die gleiche Weise eingestellt wird, wie der Controller 89 die Winkelausrichtung der zweiten Welle 16 einstellt. Der elektrische Phasensteller 114 kann einen Elektromotor, wie beispielsweise einen Gleichstrommotor, und eine elektrische Leistungsversorgung aufweisen, die den Motor mit Energie versorgt. Obwohl die Kraftmaschinenbaugruppe 10 von 1–3 ein Antriebssystem 70 mit Scheiben und Riemen und einen hydraulischen Phasensteller 14 aufweist, könnte das Antriebssystem 70 mit Scheiben und Riemen mit einem elektrischen Phasensteller 114 wie demjenigen von 5 verwendet werden, oder es könnte das Antriebssystem 170 mit kämmenden Zahnrädern von 5–12 mit einem mechanischen Phasensteller wie dem Phasensteller 14 verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 ist der Kolben 19 an der vierten Schwenkachse 58 mit der Pleuelstange 56 verschwenkbar verbunden. Der Motorblock 22 ist derart ausgebildet, dass sich eine Mittelachse C des Zylinders 20 relativ zu einer Vertikallinie L bei einem Winkel A befindet. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Winkel A 25 Grad. Mit dieser Ausrichtung des Zylinders 20 ist die Schwenkachse 58 entlang der Mittelachse C bei allen Positionen des Kolbens 19 mit der ersten Drehachse 38 ausgerichtet, da der Kolben 19 durch den Motorblock 22 darauf beschränkt ist, sich linear in dem Motorblock 22 zu bewegen, und da die Drehachse 38 durch die Befestigung der Kurbelwelle 18 fixiert ist. Das heißt, dass sich die Kurbelwelle 18 drehen kann, aber ansonsten relativ zu dem Motorblock 22 fixiert ist.
Ein Phasenwinkel D kann definiert werden, wenn die Kurbelzapfenachse 42 direkt vertikal oberhalb der ersten Drehachse 38 positioniert ist, wie es in 5 und 9 gezeigt ist, wobei der Phasenwinkel D die Phaseneinstellung der zweiten Welle 16 relativ zu der Kurbelwelle 18 angibt. Der Phasenwinkel D ist zwischen einer ersten Linie E, die sich durch die Kurbelzapfenachse 42 und die erste Drehachse 38 erstreckt, und eine zweite Linie F definiert, die sich durch die Achse 48 für den exzentrischen Abschnitt und die zweite Drehachse 44 erstreckt. Die erste Linie E ist eine vertikale Linie, wenn sich die Kurbelzapfenachse 42 direkt vertikal oberhalb der ersten Drehachse 38 befindet. In 5 beträgt der Phasenwinkel D 18 Grad. Der Phaseneinstellungsmechanismus 14 oder 114 und die Gestängebaugruppe 12 mit vier Verbindungen ermöglichen, dass der Phasenwinkel D zwischen 18 Grad, wie es in 5 gezeigt ist, und –40 Grad (d. h. 320 Grad), wie es in 9 gezeigt ist, variiert wird. Wenn der Phasenwinkel D 18 Grad beträgt, bewegt sich der Kolben 19 gemäß einem Atkinson-Viertaktarbeitszyklus, wie er in 5 an der oberen Totpunktposition 50 an dem Ende eines Auslasstakts, in 6 an einer unteren Totpunktposition 54 an dem Ende eines Expansionstakts, in 7 an der oberen Totpunktposition 50 an dem Ende eines Kompressionstakts und an der unteren Totpunktposition 52 an dem Ende des Einlasstakts gezeigt ist, wobei die untere Totpunktposition 52 höher liegt als die untere Totpunktposition 54. Das heißt, dass der Kolben 19 an dem Ende des Expansionstakts höher steht als an dem Ende des Einlasstakts, was mit einem Atkinson-Zyklus konsistent ist. Der Kolben 19 bewegt sich gemäß dem Viertaktzyklus in der Reihenfolge von der Position in 8 (unterer Totpunkt 52, Ende des Einlasstakts) zu der Position in 7 (oberer Totpunkt 50, Ende des Kompressionstakts) zu der Position in 6 (niedrigerer unterer Totpunkt 54, Ende des Expansionstakts) zu der Position in 5 (oberer Totpunkt 50, Ende des Auslasstakts).
Wenn der Phaseneinstellungsmechanismus 14 (oder der Phaseneinstellungsmechanismus 114 in 5–12) derart gesteuert wird, dass er die Phaseneinstellung der zweiten Welle 16 relativ zu der Kurbelwelle 18 ändert, so dass der Phasenwinkel –40 Grad beträgt (mit einer Gesamtänderung bezüglich des Phasenwinkels von 58 Grad), wie er in 9 gezeigt ist, erreicht der Kolben 19 eine untere Totpunktposition 59 an dem Ende des Expansionstakts (siehe 12), die niedriger liegt als die untere Totpunktposition 52 des Expansionstakts des Atkinson-Zyklus.
Dies führt zu einem längeren Kompressionshub in dem Otto-Zyklus im Vergleich zu dem Atkinson-Zyklus. Der Kolben 19 weist eine obere Totpunktposition 57 an dem Ende des Kompressionstakts auf, wie es in 11 gezeigt ist, die im Vergleich zu der oberen Totpunktposition 50 an dem Ende des Kompressionstakt des Atkinson-Zyklus um ungefähr 0,8 mm abgesenkt ist, so dass das geometrische Kompressionsverhältnis CR um lediglich 0,29 von 11,0 auf 11,29 zunimmt, wenn die Phaseneinstellung von dem Atkinson-Zyklus zu dem Otto-Zyklus mit einer Kompressionshublänge von 68,4 in dem Atkinson-Zyklus und einer Kompressionshublänge von 78,5 in dem Otto-Zyklus übergeleitet wird. Dies stellt ein Expansionsverhältnis von 1,0 über den Viertaktarbeitszyklus von 9–12 her, was mit einem Otto-Arbeitszyklus konsistent ist. Dabei werden eine Zylinderbohrung von 74 mm und ein Kompressionsvolumen von 28.398 Kubikmillimetern angenommen. Der Kolben 19 bewegt sich gemäß dem Viertaktzyklus in der Reihenfolge von der Position in 12 (unterer Totpunkt 59, Ende des Einlasstakts) zu der Position in 11 (oberer Totpunkt 57, Ende des Kompressionstakts) zu der Position in 10 (unterer Totpunkt 55, Ende des Expansionstakts) zu der Position in 9 (oberer Totpunkt 51, Ende des Auslasstakts).
Die niedrigere Position des oberen Totpunkts an dem Ende des Kompressionstakts des Otto-Zyklus relativ zu dem Atkinson-Zyklus stellt sicher, dass das geometrische Kompressionsverhältnis um lediglich 0,29 anstatt um 1,5 zunimmt, was auftreten würde, wenn die obere Totpunktposition des Kolbens 19 an dem Ende des Kompressionstakts die gleiche wie in dem Atkinson-Zyklus bleiben würde. Ein erhöhtes geometrisches Kompressionsverhältnis kann ein erhöhtes Kraftstoffmaschinenklopfen bewirken. Der entscheidende Faktor für das Klopfen ist das effektive Kompressionsverhältnis, das eine Funktion des geometrischen Kompressionsverhältnisses und des Schließzeitpunkts des Einlassventils ist. Wenn ein Phasensteller in eine Nockenwelle der Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110 eingebunden ist, kann das effektive Kompressionsverhältnis während des Otto-Zyklus fein abgestimmt werden, indem die Einlassventile derart gesteuert werden, dass sie gemäß einem Zeitplan mit einem späten Schließzeitpunkt des Einlassventils arbeiten. Da die Konstruktion der Kraftmaschinenbaugruppe 10, 110 ermöglicht, dass das geometrische Kompressionsverhältnis in dem Atkinson-Zyklus und in dem Otto-Zyklus relativ konstant ist, ist in dem Otto-Zyklus eine geringere Abhängigkeit von dem späten Schließen des Einlassventils erforderlich, was eine größere volumetrische Effizienz und Leistung ermöglicht.
4 ist ein Diagramm einer Kolbenauslenkung über einem Kurbelwinkel (d. h. einer Winkelposition der Kurbelwelle) für eine Bewegung eines Kolbens über einen Viertaktarbeitszyklus verschiedener Mehrgestängebaugruppen bei verschiedenen Phasenwinkeln und Hublängen. Ein Viertaktzyklus in der Reihenfolge des Einlasstakts (Abschnitt I), des Kompressionstakts (Abschnitt II), des Expansionstakts (Abschnitt III) und des Auslasstakts (Abschnitt IV) ist in dem Diagramm von rechts nach links dargestellt. Die Kurve 202 repräsentiert die Auslenkung des Kolbens 19 von 1–3 mit einem Phasenwinkel D von 18 Grad bei einem Betrieb gemäß dem Atkinson-Zyklus von 5–8 für die beste Effizienz. Die Kurve 204, die mit einem langen Strich und zwei kurzen Strichen dargestellt ist, repräsentiert die Auslenkung des Kolbens 19 von 1–3 mit einem Phasenwinkel D von 320 Grad (–40 Grad) bei einem Betrieb gemäß dem Otto-Zyklus von 9–12 für die beste Leistung. Die Kurve 206, die mit einem längeren Strich und zwei kürzeren Strichen dargestellt ist, repräsentiert die Auslenkung des Kolbens 19 mit einem Phasenwinkel D von 0 Grad. Die Kurve 208 repräsentiert die Auslenkung des Kolbens 19 mit einem Phasenwinkel D von 340 Grad. Für jede der Kurven 202, 204, 206 und 208 ist der Zylinder 20 derart angeordnet, dass sich die Mittelachse C des Zylinders 20 bei 25 Grad bezüglich der Vertikalen befindet, was ermöglicht, dass die Schwenkachse 58 und die erste Drehachse 38 entlang der Mittelachse C ausgerichtet sind, wie es vorstehend diskutiert wurde.
Die Kurve 210 repräsentiert die Auslenkung eines Kolbens in einer Kraftmaschinenbaugruppe mit einer Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen, die derjenigen der Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110 ähnlich ist, wobei jedoch keine Möglichkeit zur Phaseneinstellung der zweiten Welle 16 relativ zu der Kurbelwelle 18 vorhanden ist und wobei der Zylinder 20 derart angeordnet ist, dass die Mittelachse C vertikal ist. Wenn die zweite Welle dieser Kraftmaschinenbaugruppe bezüglich der Phase relativ zu der Kurbelwelle eingestellt werden könnte, würde sich der obere Totpunkt des Kolbens an dem Ende des Kompressionstakts in dem Otto-Zyklus relativ zu dem oberen Totpunkt des Kolbens an dem Ende des Kompressionstakts in dem Atkinson-Zyklus drastisch verändern, was zu einer Änderung in dem Kompressionsverhältnis CR bei einer Absenkung von 8 Millimetern in dem Otto-Zyklus führen würde.
Die Kurven 212 und 214 stellen die Auslenkung eines Kolbens einer Kraftmaschine mit einer herkömmlichen Kurbelwellenkonstruktion dar (d. h. ohne die Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen), wenn diese gemäß einem Otto-Zyklus mit einer Kompressionshublänge von 60 mm bzw. von 78 mm betrieben wird. Ein Vergleich der Kurven 204 und 214 gibt an, dass die Kraftmaschinenbaugruppe 10, 110, die gemäß dem Pseudo-Otto-Zyklus betrieben wird (d. h., die gemäß einem Otto-Zyklus mit einem Expansionsverhältnis von Eins, aber sowohl mit variierten unteren Totpunktpositionen als auch mit variierten oberen Totpunktpositionen in dem Viertaktzyklus betrieben wird), ein Expansionsverhältnis von Eins erreicht, genau wie eine Kraftmaschinenbaugruppe mit der gleichen Kompressionshublänge, die gemäß einem wahren Otto-Zyklus betrieben wird.
13 stellt die Auswirkung der abgesenkten oberen Totpunktposition des Kompressionstakts des Otto-Zyklus relativ zu dem Atkinson-Zyklus dar, die durch die Kraftmaschinenbaugruppe 10 und 110 mit einer Zylinderbohrung von 74 Millimetern, einem Kompressionshub von 68,4 Millimetern in dem Atkinson-Zyklus und von 78,5 Millimetern in dem Otto-Zyklus erreicht wird. Die obere Totpunktposition 57 von 11 ist um 0,79 Millimeter niedriger als die obere Totpunktposition 50 von 7. Dies liefert ein zusammengedrücktes Volumen (d. h. ein Verbrennungskammervolumen) von 0 in dem Atkinson-Zyklus und von 3402 Kubikmillimetern in dem Otto-Zyklus, ein Hubraumvolumen von 293.978 Kubikmillimetern in dem Atkinson-Zyklus und von 337.476 Kubikmillimetern in dem Otto-Zyklus und ein Kompressionsvolumen von 29.398 Kubikmillimetern in dem Atkinson-Zyklus und von 32.800 Kubikmillimetern in dem Otto-Zyklus.
Die Kurve 250 zeigt die obere Totpunktposition relativ zu der Zylinderbohrung in dem Kraftmaschinenblock 22, wobei eine Bewegung abwärts in dem Zylinder 20 an der rechten vertikalen Achse als positiv dargestellt ist. Die horizontale Achse repräsentiert die Winkelausrichtung der zweiten Welle 16 relativ zu der Kurbelwelle 18 über den Phaseneinstellungsbereich von 58 Grad, von 0 Grad (entsprechend einem Phasenwinkel D von 18 Grad in dem Atkinson-Zyklus) bis 58 Grad (entsprechend einem Phasenwinkel D von –40 Grad in dem Otto-Zyklus). Die Kurve 252 stellt das geometrische Kompressionsverhältnis CR der Kraftmaschinenbaugruppe 10 und 110 an der rechten vertikalen Achse dar. Das geometrische Kompressionsverhältnis CR bleibt relativ konstant. Wenn die relative Phase 0 Grad beträgt (bei einem Phasenwinkel D von 18 Grad in dem Atkinson-Zyklus), beträgt das CR 11,0. Wenn die relative Phase 58 Grad beträgt (bei einem Phasenwinkel von –40 Grad in dem Otto-Zyklus), beträgt das CR 11,29. Wenn die obere Totpunktposition des Otto-Zyklus nicht relativ zu dem Atkinson-Zyklus um 0,791 abgesenkt werden würde, wie es für den Betrieb gemäß dem Otto-Zyklus beschrieben ist, dann würde das Kompressionsverhältnis während des Otto-Zyklus 12,48 betragen. Solch ein relativ großer Sprung im Kompressionsverhältnis würde die Probleme mit dem Kraftmaschinenklopfen verschlimmern. Die Anordnung des Zylinders 20, so dass sich die Mittelachse C des Zylinders 20 bei 25 Grad bezüglich der Vertikalen befindet (d. h., dass der Winkel A 25 Grad beträgt), ermöglicht, dass die Schwenkachse 58 und die erste Drehachse 38 entlang der Mittelachse C ausgerichtet sind, wodurch bewirkt wird, dass die obere Totpunktposition des Kompressionstakts des Otto-Zyklus relativ zu dem Atkinson-Zyklus abgesenkt wird, um die relativ geringe Änderung im geometrischen Kompressionsverhältnis CR zu ermöglichen, wenn die Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110 bezüglich der Phase zu dem Otto-Zyklus übergeleitet wird. Ohne diese Anordnung würde beispielsweise dann, wenn der Winkel A 0 Grad betragen würde, die viel größere Schwankung im Kompressionsverhältnis CR auftreten. Die Kurve 254 zeigt die Kompressionshublänge (linke vertikale Achse) in Millimetern.
Bei einer Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, ist die Kraftmaschinenbaugruppe 110 Teile eines Hybridantriebsstrangs 300, der ein Hybridgetriebe 302 mit zwei Motoren/Generatoren 304, 306 und drei Planetenradsätzen 308, 310, 312 umfasst. Zwei Kupplungen 314 und 316 sowie zwei Bremsen 318 und 320 können selektiv eingerückt werden, und die Motoren/Generatoren 304, 306 und die Kraftmaschinenbaugruppe 110 können gesteuert werden, um verschiedene Betriebsmodi herzustellen, um ein Drehmoment an ein Ausgangselement 315 zu liefern. Fachleute werden einsehen, wie Betriebsmodi nur mit Kraftmaschine, ausschließlich elektrische Betriebsmodi und Hybridbetriebsmodi, bei denen sowohl die Kraftmaschinenbaugruppe 110 als auch ein oder mehrere Motoren/Generatoren 304, 306 verwendet werden, ein Drehmoment an das Ausgangselement 315 liefern. Ein Dämpfungsmechanismus 322 ist zwischen der Kurbelwelle 18 und einem Getriebeeingangselement 324 gezeigt.
Der Phaseneinstellungsmechanismus 114 der Kraftmaschinenbaugruppe 110 kann durch den Controller 189 gesteuert werden, um die Kraftmaschinenbaugruppe 110 gemäß den Kraftmaschinenbetriebsbedingungen zu steuern, wie beispielsweise gemäß dem Drehmoment, das an dem Ausgangselement 315 angefordert wird. Beispielsweise kann ein Otto-Zyklus eingestellt werden, wenn ein hohes Ausgangsdrehmoment an dem Ausgangselement 315 angewiesen wird, und die Kraftmaschinenbaugruppe 110 kann gemäß dem Atkinson-Zyklus betrieben werden, wenn eine größere Effizienz gewünscht ist. Die Kraftmaschinenbaugruppe 10 kann auch mit einem Hybridgetriebe wie dem Getriebe 302 verwendet werden, und sie kann auf eine Weise gesteuert werden, dass sie zwischen einem Otto-Zyklus und einem Atkinson-Zyklus durch eine Steuerung des Phasenstellers 14 umgeschaltet wird.
Die Phaseneinstellung der zweiten Welle 16 relativ zu der Kurbelwelle 18 kann auch in Ansprechen auf andere Kraftmaschinenbetriebsbedingungen gesteuert werden, wie beispielsweise in Ansprechen auf Kraftmaschinenbetriebsbedingungen, die einen Kaltstart, einen Warmstart und/oder eine Meereshöhe größer als eine vorbestimmte Meereshöhe angeben. Der elektrische Phasensteller 114 ermöglicht eine volle Flexibilität des Phasenwinkels D während Kraftmaschinenstarts. Mit anderen Worten können verschiedene Positionen des Phasenwinkels D und dadurch unterschiedliche Kraftmaschinenexpansionsverhältnisse durch den Controller für unterschiedliche Kraftmaschinenstartbedingungen (Kaltstart, Warmstart und Start in großer Meereshöhe) hergestellt werden. Wie hierin verwendet, ist ein ”Kaltstart” ein Start der Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110, bei dem der Kraftstoff zuvor abgeschaltet wurde und das Fahrzeug zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer gestoppt wurde. Ein ”Warmstart” ist ein Start der Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110, nachdem der Kraftstoff abgeschaltet wurde, jedoch während sich das Fahrzeug bewegt, oder wenn die Kraftmaschine 10 oder 110 nur für weniger als eine vorbestimmte Zeitspanne abgeschaltet gewesen ist, so dass sich der Kraftmaschinenblock 22 oberhalb einer vorbestimmten Temperatur befindet. Ein Warmstart kann beispielsweise ein Start sein, nachdem die Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110 vorübergehend gestoppt worden ist, während das Fahrzeug an einer roten Ampel gewartet hat. Ein Warmstart kann in einem Hybridantriebsstrang auftreten, wenn von einem ausschließlich elektrischen Betriebsmodus (bei dem lediglich ein oder mehrere Motoren/Generatoren das Fahrzeug antreiben) in einen Hybridbetriebsmodus gewechselt wird (bei dem sowohl die Kraftmaschinenbaugruppe als auch ein oder mehrere Motoren/Generatoren das Fahrzeug antreiben). Ein ”Start bei großer Meereshöhe” ist ein Start der Kraftmaschinenbaugruppe 10 oder 110, bei dem sich das Fahrzeug oberhalb einer vorbestimmten Meereshöhe befindet, wie beispielsweise bei 1600 Metern oberhalb des Meeresspiegels, ohne darauf beschränkt zu sein.
Der elektronische Controller 189 kann ausgebildet sein, um den Phaseneinstellungsmechanismus 114 bei abgeschaltetem Fahrzeug in eine Position zu bringen (d. h. eine Phasensteller-Parkposition), um einen Phasenwinkel D einzustellen, der ein relativ geringes Expansionsverhältnis ergibt, bei dem beispielsweise für einen Otto-Zyklus ein längerer Kompressionshub und ein kürzerer Expansionshub eingestellt werden. Ein längerer Kompressionshub ergibt höhere Zylinderinnentemperaturen, um die Verdampfung und Verbrennung des Kraftstoffs zu unterstützen, und ein kürzerer Expansionshub bewirkt höhere Abgastemperaturen, um das Aufheizen eines Katalysators zu unterstützen. Für einen Warmstart kann die Phasensteller-Parkposition durch den Controller 189 derart eingestellt werden, dass sie ein höheres Expansionsverhältnis ergibt, bei dem ein kürzerer Kompressionshub eingestellt ist und das effektive Kompressionsverhältnis verringert ist. Dies trägt dazu bei, eine Kraftmaschinenschwingung während Kraftmaschinenstarts aufgrund geringerer Oszillationen des Zylinderinnendrucks zu verringern und Schwingungen an den Motoren/Generatoren 204, 206 zu vermeiden, die das Motordrehmoment unterbrechen können.
Der elektrische Phasensteller 114 kann auch durch den Controller 189 in Ansprechen auf eine große Meereshöhe als eine Kraftmaschinenbetriebsbedingung gesteuert werden. Die Phasensteller-Parkposition (d. h. der Winkel D, der eingestellt wird, wenn die Kraftmaschine bei einer großen Meereshöhe gestartet wird), kann derart gewählt werden, dass sie während der Starts in großer Meereshöhe ein geringeres Expansionsverhältnis (weniger Atkinson) liefert, wodurch höhere Zylinderinnendrücke und Temperaturen zum Unterstützen des Verdampfens und der Verbrennung des Kraftstoffs erreicht werden. Die Flexibilität der Kraftmaschinenbaugruppe 110 bezüglich des Expansionsverhältnisses kann daher ausgenutzt werden, um das Starten der Kraftmaschine unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen mit einem elektrischen Phasensteller 114 zu optimieren.
Wenn der Phaseneinstellungsmechanismus ein mechanischer Phasensteller ist, wie beispielsweise ein hydraulischer Phasensteller 14 mit Schaufeln, muss der Phasensteller 14 durch die Konstruktion während jedes Kraftmaschinenstarts (ganz gleich, ob es sich um einen Warmstart, einen Kaltstart oder einen Start oberhalb einer vorbestimmten Meereshöhe handelt) bei der gleichen Position des Phasenwinkels D geparkt werden, da kein Fluiddruck verfügbar ist, um die Position der Schaufeln 87 relativ zu dem Stator 86 aufrechtzuerhalten. Eine Parkposition des Rotors 85 muss daher durch einen Parkstift, wie beispielsweise einen Parkstift 92, der sich von dem Rotor 85 erstreckt und in 1 mit gestrichelten Linien gezeigt ist, eingestellt werden. Der Parkstift 92 gelangt in Eingriff, um die Winkelposition des Rotors 85 zu verriegeln, wenn kein Kraftmaschinenöldruck vorhanden ist. Das heißt, dass der Kraftmaschinenöldruck den Stift 92 von einem Eingriff abhält, wenn jedoch kein Öldruck vorhanden ist, verschiebt ein Vorspannelement, wie beispielsweise eine Feder, den Stift 92 in eine Aussparung in dem Stator 86, um den Stator 86 gegenüber dem Rotor 85 zu verriegeln, wodurch eine eindeutige verriegelte Drehposition der zweiten Welle 16 bei abgeschalteter Kraftmaschine hergestellt wird. Wenn ein hydraulischer Phasensteller mit einer einzigen Parkposition ähnlich dem Phaseneinstellungsmechanismus 14 verwendet wird, wird die eindeutige Parkposition derart ausgewählt, dass sie den verschiedenen optimalen Positionen für einen Kaltstart, einen Warmstart und einen Start oberhalb einer vorbestimmten Meereshöhe am besten genügt, wie es vorstehend beschrieben ist.
Obgleich die besten Weisen zum Ausführen vieler Aspekte der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben sind, werden Fachleute, die diese Lehren betreffen, verschiedene alternative Aspekte zum Ausüben der vorliegenden Lehren erkennen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Kraftmaschinenbaugruppe, die umfasst: einen Kraftmaschinenblock, der einen Zylinder definiert; eine Kurbelwelle, die eine erste Drehachse und einen Kurbelzapfen aufweist, der bezüglich der ersten Drehachse verschoben ist; eine zweite Welle, die bezüglich der Kurbelwelle verschoben ist und eine zweite Drehachse sowie einen exzentrischen Abschnitt aufweist, der bezüglich der zweiten Drehachse verschoben ist; einen Kolben, der mit der Kurbelwelle funktional verbunden und in dem Zylinder bewegbar ist, um die Kurbelwelle anzutreiben; wobei der Kolben mit der Pleuelstange verschwenkbar verbunden ist, um an einer Schwenkachse zu verschwenken; und wobei der Zylinder derart ausgebildet ist, dass die Schwenkachse mit der ersten Drehachse entlang einer Mittelachse des Zylinders ausgerichtet ist; eine Pleuelstange, die sich von dem Kolben erstreckt; eine Gestängebaugruppe mit vier Verbindungen, die mit der Pleuelstange, dem Kurbelzapfen und dem exzentrischen Abschnitt verschwenkbar verbunden ist; ein Antriebssystem, das mit der Kurbelwelle und der zweiten Welle funktional verbunden ist, um die zweite Welle mittels der Kurbelwelle anzutreiben; und einen Phaseneinstellungsmechanismus, der mit der zweiten Welle funktional verbunden und steuerbar ist, um die Drehposition der zweiten Welle relativ zu der Kurbelwelle zu variieren, um dadurch den Betrieb des Kolbens in dem Zylinder zwischen einem Otto-Zyklus und einem Atkinson-Zyklus zu variieren.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die Mittelachse des Zylinders ungefähr bei 25 Grad bezüglich der Vertikalen befindet.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Otto-Zyklus und der Atkinson-Zyklus jeweils einen Einlasstakt, einen Kompressionstakt, einen Verbrennungstakt und einen Auslasstakt aufweisen; und wobei die obere Totpunktposition des Kolbens in dem Kompressionstakt des Otto-Zyklus niedriger liegt als in dem Kompressionstakt des Atkinson-Zyklus.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die obere Totpunktposition des Kolbens in dem Kompressionstakt des Otto-Zyklus um weniger als einen Millimeter niedriger liegt als in dem Atkinson-Zyklus.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Kurbelzapfen eine Kurbelzapfenachse aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Drehachse verläuft, und der exzentrische Abschnitt eine Achse für den exzentrischen Abschnitt aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der zweiten Drehachse verläuft; wobei ein Phasenwinkel zwischen einer ersten Linie, die sich durch die Kurbelzapfenachse und die erste Drehachse erstreckt, und einer zweiten Linie, die sich durch die Achse für den exzentrischen Abschnitt und die zweite Drehachse erstreckt, definiert ist; wobei der Phasenwinkel definiert ist, wenn die Kurbelzapfenachse direkt vertikal oberhalb der ersten Drehachse positioniert ist; und wobei der Phaseneinstellungsmechanismus betreibbar ist, um den Phasenwinkel um 58 Grad zu variieren.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Phaseneinstellungsmechanismus ein hydraulischer Phasensteller mit Schaufeln ist.
Kraftmaschinenbaugruppen nach Anspruch 1, wobei das Antriebssystem umfasst: eine erste Scheibe, die mit der Kurbelwelle verbunden und mit dieser um die erste Drehachse drehbar ist; eine zweite Scheibe, die durch die erste Scheibe angetrieben wird; eine dritte Scheibe, die mit der zweiten Scheibe verbunden und mit dieser um die zweite Drehachse drehbar ist; und einen Riemen, der mit der zweiten Scheibe und der dritten Scheibe derart in Eingriff steht, dass sich die zweite Welle bezogen auf die erste Welle mit der halben Drehzahl dreht.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Antriebssystem ein erstes Zahnrad, das mit der Kurbelwelle zur Drehung um die erste Drehachse verbunden ist, und ein zweites Zahnrad aufweist, das mit dem ersten Zahnrad kämmt und mit der zweiten Welle zur Drehung um die zweite Drehachse verbunden ist, so dass sich die zweite Welle bezogen auf die erste Welle mit der halben Drehzahl dreht.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Phaseneinstellungsmechanismus ein elektrischer Phasensteller ist und ferner umfasst: einen elektronischen Controller, der mit dem elektrischen Phasensteller funktional verbunden und ausgebildet ist, um den elektrischen Phasensteller derart zu steuern, dass dieser die Drehposition der zweiten Welle relativ zu der Kurbelwelle variiert; und wobei der Controller die Drehposition der zweiten Welle basierend auf Kraftmaschinenbetriebsbedingungen variiert, die einen Kaltstart, einen Warmstart und/oder eine Meereshöhe größer als eine vorbestimmte Meereshöhe angeben.
Kraftmaschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Phaseneinstellungsmechanismus ein mechanischer Phasensteller ist, der einen Rotor, der zur Drehung um die zweite Drehachse mit der zweiten Welle verbunden ist, einen Stator, der mit dem Antriebssystem verbunden ist, und einen Parkstift aufweist, der ausgebildet ist, um den Stator mit dem Rotor zu verriegeln, wodurch eine eindeutige verriegelte Drehposition der zweiten Welle relativ zu der Kurbelwelle bei Kraftmaschinenabschaltung hergestellt wird.