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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit Doppelkurbeltrieb und variabler Verdichtung.
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Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb ist beispielsweise aus der
DE 102 47 106 B4 bekannt. Gegenüber konventionellen Brennkraftmaschinen, bei denen ein Kolben über jeweils ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden ist, haben Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Doppelkurbeltrieb zahlreiche Vorteile. Vom Doppelkurbeltrieb her werden auf den Kolben keinerlei Seitenkräfte ausgeübt, wodurch die Reibung vermindert wird, die Schwingungsanregung geringer ist und der Kolben flach und ohne Hemd ausgeführt sein kann, was für die, falls erforderlich, Schmierung der Gleitberührung Kolbenring/Zylinderwand vorteilhaft ist bzw. eine Kolbenschmierung überflüssig machen kann. Aufgrund des seitlichen Versatzes der Drehachsen der gegenläufig drehenden Kurbelscheiben relativ zur linearen Bewegung der Kolbenstange ist der Drehwinkel der Kurbelscheiben bei Bewegung des Kolbens vom OT zum UT ungleich dem Drehwinkel bei der anschließenden Bewegung des Kolbens vom UT zum OT. Dies kann bei der Verbrennung vorteilhaft genutzt werden. Die Drehmomentabgabe wird vergleichmäßigt, was zusätzlich dadurch unterstützt wird, das im Vergleich zu herkömmlichen Motoren bei gleichem Kolbenhub kleinere Kurbelradien der Doppelkurbeln erforderlich sind.
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Die Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, das heißt, das Verhältnis zwischen dem Volumen einer im Zylinder oberhalb des Kolbens ausgebildeten Arbeitskammer bei im unteren Totpunkt (UT) befindlichem Kolben zu bei im oberen Totpunkt (OT) befindlichen Kolben, hat unter anderem starken Einfluss auf den Verbrauch. Beispielsweise ist im Teillastbereich eine höhere Verdichtung gewünscht. Beim Ottomotor ist das Verdichtungsverhältnis typischerweise durch die Klopfneigung begrenzt, wobei es bei Saugmotoren größer sein kann als bei aufgeladenen Motoren. Beim Dieselmotor ist insbesondere für ein sicheres Anlassen ein hohes Verdichtungsverhältnis erforderlich. Während des Betriebs des Dieselmotors ist für geringen Schadstoffgehalt im Abgas sowie aus Reibungsgründen eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses vorteilhaft.
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Aus der
DE 10 2011 120 162 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung bekannt, die eine exzentrische Kurbelwellenlagerung aufweist, wobei zwischen der Kurbelwellenlagerung und einem zumindest ein Zahnradsegment und ein Zahnrad umfassendes Getriebe eine torsionssteife Verbindung angeordnet ist. Das Zahnradsegment ist an einem axial äußeren Kurbelwellenlager befestigt und mittels des Zahnrades ist zur Verstellung der exzentrischen Kurbelwellenlagerung ein Drehmoment auf das Zahnradsegment einleitbar. In der Praxis konnte sich die vorbekannte Brennkraftmaschine nicht durchsetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variabler Verdichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Brennkraftmaschine gerichtet.
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Die Erfindung ist für weitgehend alle Arten von Hubkolbenbrennkraftmaschinen einsetzbar, beispielsweise Ein- und Mehrzylindermotoren, Otto-, Diesel-, und Gasmotoren, Zweitakt- und Viertaktmotoren.
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Durch die Erfindung wird das Schadensrisiko des gesamten Motors und die Belastung seiner Teile reduziert. Die gesamte Motorauslegung wird einfacher und risikoärmer. Es ergeben sich Vorteile bezüglich der Größe und des Gewichts, des konstruktiven Aufwands, des Servicekostenaufwands, der Toleranzen und Passlängen und der Laufzeitverlängerung des Motors.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert:
In den Figuren stellen dar:
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1 einen Mittelschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb und variabler Verdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Querschnittsansicht des Doppelkurbeltriebs gemäß der ersten Ausführungsform,
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kolbens mit Kolbenstange, eines Pleuelverbindungsbauteils und einer Verstellstange gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Kolbenstange, des Pleuelverbindungsbauteils und der Verstellstange gemäß der zweiten Ausführungsform, und
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5 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kolbens mit Kolbenstange, eines Pleuelverbindungsbauteils und einer Verstellstange gemäß einer dritten Ausführungsform,
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Gemäß 1 weist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (Brennkraftmaschine) einen Zylinder 10 auf, in dem ein Kolben 12 längs der Achse des Zylinders beweglich ist. Der beispielsweise hemdlos ausgebildete Kolben 12 ist vorzugsweise starr mit einer Kolbenstange 14 verbunden, die unter Abdichtung linear beweglich durch eine Durchführung 16 hindurch geführt ist, die in einer Trennwand 18 ausgebildet ist, die den Innenraum des Zylinders 10 gemäß 1 nach unten abschließt. Auf diese Weise ist oberhalb des Kolbens 12 eine Arbeitskammer 20 zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinderkopf 22 bzw. einer Oberwand des Zylinders ausgebildet und unterhalb des Kolbens 12 zwischen dem Kolben 12 und der Trennwand 18 eine Frischluftkammer 24 ausgebildet. Eine im unteren Bereich der Frischluftkammer 24 ausgebildete Einlassöffnung ist an einen Ansaugkanal 26 angeschlossen, der mit einem Ansaugventil 28 verschließbar ist. Aus dem unteren Bereich der Frischluftkammer 24 führt eine Auslassöffnung in einen Verbindungskanal 32, in dem ein Zwischenventil 34 angeordnet ist und der mit einem Einlasskanal 36 verbunden ist, der in die Arbeitskammer 20 der Brennkraftmaschine führt und mittels eines beispielsweise als Tellerventil ausgebildeten Einlassventils 38 schließbar ist.
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Aus der Arbeitskammer 20 führt ein Auslasskanal 40 durch ein nicht dargestelltes Abgassystem der Hubkolbenbrennkraftmaschine ins Freie. Der Auslasskanal 40 ist mittels eines beispielsweise als Tellerventil ausgebildeten Auslassventils 42 verschließbar.
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Die Kolbenstange 14 führt durch die Trennwand 18 hindurch in den Innenraum eines den Doppelkurbeltrieb aufnehmenden Kurbelgehäuses 44, in dem zwei Kurbelscheiben 46 und 48 um gehäusefeste Drehachsen A und B drehbar gelagert sind. Die Kurbelscheiben 46 und 48 weisen an mit gleichem Durchmesser ausgebildeten Umfangen Umfangsverzahnungen auf, die miteinander kämmen. Die Drehachsen A und B der Kurbelscheiben 46 und 48 verlaufen in einer senkrecht zur Kolbenstange 14 ausgerichteten Ebene und sind von der Kolbenstange 14 gleich weit entfernt. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt die Kolbenstange 14 sich bis unterhalb der Ebene, in der die Drehachsen A und B liegen, derart, dass ihr unteres Ende auch im oberen Totpunkt des Kolbens 12 unterhalb der Drehachsen A und B ist. Das untere Ende der Kolbenstange 14 ist über Pleuel 50, 52 gelenkig mit Pleuelzapfen 54 bzw. 56 verbunden, die an den Kurbelscheiben 46 und 48 radial innerhalb der Umfangsverzahnungen exzentrisch zu den Drehachsen A und B der Kurbelscheiben 46 und 48 angeordnet sind.
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In 1 ist der Kolben 12 in einer Position ungefähr zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) dargestellt.
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Aufbau und Funktion der bisher beschriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine sind an sich bekannt.
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Bei Betrieb im Viertaktverfahren sind ausgehend von im unteren Totpunkt befindlichem Kolben 12 bei einem Auspuff- bzw. Ausstoßtakt die Ventile 34 und 38 geschlossen und die Ventile 28 und 42 offen. Der Kolben schiebt während des Auspufftakts verbrannte Ladung aus der Arbeitskammer aus und saugt gleichzeitig Frischluft in die Frischluftkammer 24 ein. Beim anschließenden Ansaughub bzw. -takt sind die Ventile 28 und 42 zu und die Ventile 34 und 38 auf, so dass in dem Verbindungskanal 32 und der Frischluftkammer 24 befindliche Frischluft durch die offenen Ventile 34 und 38 hindurch in die Arbeitskammer 20 gedrückt wird. Beim anschließenden Verdichtungshub bzw. -takt ist lediglich das Ansaugventil 28 offen, so dass bei der Verdichtung der in der Arbeitskammer 20 befindlichen Ladung Frischluft in die Frischluftkammer 24 eingesaugt wird. Bei dem anschließenden Arbeitshub (Verbrennungstakt) sind alle Ventile mit Ausnahme des Zwischenventils 34 geschlossen, so dass während des Arbeitstakts beim vorherigen Verdichtungstakt angesaugte Frischluft in den Verbindungskanal 32 geschoben wird und dort vorverdichtet wird. Beim anschließenden Auspufftakt beginnt der beschriebene Zyklus von neuem. Die beschriebene Brennkraftmaschine arbeitet somit mit integrierter interner Aufladung, da bei einem Ansaugtakt etwa das Zweifache des Volumens der Frischluftkammer in die Arbeitskammer 20 gelangt, so dass unmittelbar beim Anlassen bereits eine Aufladung vorhanden ist.
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Bei der angedeuteten gegensinnigen Drehrichtung der Kurbelscheiben 46 und 48, bei der die in 1 linke Kurbelscheibe 46 in Uhrzeigerrichtung und die rechte Kurbelscheibe 48 gegen Uhrzeigerrichtung dreht, ist, wie aus der Figur unmittelbar ersichtlich, der Drehwinkel der Kurbelscheiben vom OT zu UT des Kolbens größer als der Drehwinkel der Kurbelscheiben vom UT zum OT. Durch zweckentsprechende Auslegung des Doppelkurbeltriebs kann erreicht werden, dass ein Arbeitstakt sich über bis zu 230° Kurbelwinkel erstreckt, was für eine vollständige Verbrennung und eine gleichmäßigere Drehmomententfaltung vorteilhaft ist.
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Mittels der Außenverzahnungen der Kurbelscheiben und entsprechender Nuten etc. im Kurbelgehäuse können die Kurbelscheiben die Funktion von Flüssigkeitspumpen zur Schmierung übernehmen.
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In 1 bildet eine Ausbauchung 45 des Kurbelgehäuses 44 (1), deren Mindest-Tiefe durch die Stellung der Kurbelstange 14 im UT des Kolbens 12 bestimmt ist, einen Auffangbehälter für einen Flüssigkeitssumpf 69. Eine lediglich zur drucklosen Förderung ausgelegte einfache Flüssigkeitspumpe (nicht dargestellt) saugt Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssumpf 70 an und führt sie den Kurbelscheiben 46, 48 zur weiteren Förderung zu.
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Ein grundsätzlicher Vorteil einer mit Doppelkurbeltrieb ausgerüsteten Brennkraftmaschine liegt darin, dass der Kurbelraum vollständig vom Kolbenraum getrennt ist. Der Kolben muss wegen seiner Seitenkraft-freien Führung bei entsprechender Materialpaarung zwischen der Außenseite des Kolbens bzw. eines oder mehrerer dort vorgesehener Kolbenringe und der Innenwand des Zylinders nicht geschmiert werden, so dass das Schmieröl keiner Alterung durch den Einfluss von Verbrennungsrückständen oder hohen Temperaturen ausgesetzt ist und als Lebensdauerfüllung vorhanden sein kann. Weiter kann auch zeitweise oder ganz auf die Kolbenringe verzichtet werden bzw. deren Anzahl verringert werden.
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2 zeigt schematisch ein Beispiel der Anbindung der Kolbenstange 14 an die Kurbelscheiben 46 und 48 (die in 2 gezeigte Drehposition stimmt zur Vereinfachung der Darstellung nicht unbedingt mit der in 1 gezeigten überein). Die Kurbelscheiben 46 und 48 weisen Lagerzapfen 92 und 94 auf, mit denen sie drehbar am Kurbelgehäuse gelagert sind. Weiter weisen die Kurbelscheiben 46 und 48 auf der den Lagerzapfen 92, 94 abgewandten Seite zylinderförmige Vorsprungsbereiche 60, 62 auf, an denen Pleuelzapfen 54 und 56 ausgebildet sind (in 2 nur schematisch gezeigt). An den Pleuelzapfen 54 und 56 sind erste Enden der Pleuel 50 und 52 gelagert. Zur Verbindung der Pleuel 50 und 52 mit der Kolbenstange 14 ist ein Pleuelverbindungsbauteil 64 vorgesehen, welches einen zentralen, muffenförmigen Bereich 65 und zwei als vorstehende Ohren ausgebildete Ansätze 66 und 68 aufweist, die sich auf entgegengesetzten Seiten des zentralen muffenförmigen Bereichs 65 weg von dem zentralen muffenförmigen Bereich 65 erstrecken. Jeder der Ansätze 66, 68 ist über einen Verbindungsbolzen 70, 72 mit dem anderen (in 1 unteren) Ende des entsprechenden Pleuels 50, 52 gekoppelt.
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, ist an dem dem Kolben 12 abgewandten Ende der Kolbenstange 14 ein Außengewinde 74 ausgebildet. Das Außengewinde 74 erstreckt sich ausgehend von dem dem Kolben 12 abgewandten Ende der Kolbenstange 14 über eine erste Länge l1 in Längsrichtung der Kolbenstange 14. Die Kolbenstange 14 ist zusätzlich ausgehend von dem dem Kolben 12 abgewandten Ende der Kolbenstange 14 über eine zweite Länge l2 in Längsrichtung der Kolbenstange 14 hohl ausgebildet. Wie aus 2 ersichtlich, ist die Innenquerschnittsform der Kolbenstange 14 senkrecht zu ihrer Längsrichtung in dem hohlen Kolbenstangenbereich 78 in der vorliegenden Ausführungsform quadratisch.
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Das Pleuelverbindungsbauteil 64 weist ein in dem zentralen muffenförmigen Bereich 65 ausgebildetes Innengewinde 76 auf, das auf das Außengewinde 74 der Kolbenstange 14 aufschraubbar ist. Die Länge des Innengewindes 76 ist bevorzugt kürzer als die Länge des Außengewindes 74, so dass das Pleuelverbindungsbauteil 64 bezüglich der Kolbenstange 14 zwischen dem voll eingeschraubten Zustand und dem maximal herausgeschraubten Zustand, bei dem die Gewinde noch sicher ineinandergreifen, um eine vorbestimmte dritte Länge l3 (Verstellweg, Verstelllänge) in Längsrichtung der Kolbenstange 14 relativ zueinander bewegbar sind. 1 zeigt eine maximal eingeschraubte Position des Pleuelverbindungsbauteils 64 (Position mit größtem Verdichtungsverhältnis), in der das Pleuelverbindungsbauteil möglichst nahe am Kolben angeordnet ist. Die Länge l3 ist in 1 ausgehend von der oberen Kante des Pleuelverbindungsbauteils 64 gezeigt. In der maximal herausgeschraubten Position (Position mit kleinstem Verdichtungsverhältnis) ist sind die Gewinde noch sicher im Eingriff.
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Weiter ist eine Verstellstange 80 vorgesehen, die koaxial zu der Kolbenstange 14 angeordnet ist. Die Verstellstange 80 weist einen Eingriffsbereich 82 auf, der sich ausgehend vom dem Ende, das dem Kolben 12 zugewandt ist, über mindestens eine vierte Länge l4 (nicht gezeigt) erstreckt, die gleich oder größer dem Kolbenhub ist. Die Außenquerschnittform des Eingriffsbereichs 82 senkrecht zur Längserstreckung der Verstellstange 80 ist in der vorliegenden Ausführungsform entsprechend der Innenquerschnittsform des hohlen Kolbenstangenbereichs 78 quadratisch ausgebildet ist, so dass der Eingriffsbereich 82 in dem hohlen Kolbenstangenbereich 78 in Längsrichtung gleitend verschiebbar eingesetzt ist. Gleichzeit sind der Eingriffsbereich 82 und der hohle Kolbenstangenbereich 78 aufgrund der komplementären Außenquerschnittsform drehfest um die Längsachse miteinander gekoppelt. Die Tiefe bzw. Länge, mit der die Verstellstange 80 in die Kolbenstange 14 hineinragt, hängt von der momentanen Position des Kolbens ab.
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Die Verstellstange 80 weist auf der dem Kolben 12 abgewandten Seite des Eingriffsbereichs 82 weiter einen Durchführungsbereich 83 auf. Der Durchführungsbereich 83 hat in der vorliegenden Ausführungsform eine rotationssymmetrische (kreisrunde) Außenquerschnittform.
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Weiter ist an der Verstellstange 80 an ihrem dem Kolben 12 abgewandten Endbereich auf herkömmliche Weise ein Zahnrad 84 angebracht. Die Verstellstange 80 erstreckt sich im montierten Zustand des Motors von einem unteren, bezüglich des Kurbelgehäuses 44 feststehenden Lager 86 unter Abdichtung (nicht gezeigt) durch die Ausbuchtung 45 des Kurbelwellengehäuses 44 bis in den hohlen Kolbenstangenbereich 78 der Kolbenstange 14 hinein. Die Gesamtlänge der Verstellstange 80 ist dabei bevorzugt so gewählt, dass die Verstellstange 80 im OT des Kolbens 12 für eine Verstellung ausreichend mit dem hohlen Kolbenstangenbereich 78 im Eingriff ist bzw. in diesen hineinragt. Die Verstellstange 80 ist in dem Lager 86 axial fest aber drehbar gelagert. Der Eingriffsbereich 82 ist so angeordnet und ausgebildet, dass die Kolbenstange 14 zwischen dem OT und UT gleitend mit demselben im Eingriff ist.
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Weiter ist zum Drehen der Verstellstange 80 um ihre Längsachse ein Motor (Aktuator) 88 vorgesehen, der über ein Zahnrad 90 zum Antreiben der Verstellstange 80 angeordnet und ausgebildet ist.
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Die Verdichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine kann wie folgt variabel eingestellt werden:
Das Pleuelverbindungsbauteil 64 ist über sein Innengewinde 76 mit dem Außengewinde 74 der Kolbenstange 14 im Eingriff. Über eine Relativdrehung zwischen dem Pleuelverbindungsbauteil 64 und der Kolbenstange 14 kann eine Position des Pleuelverbindungsbauteils 64 an der Kolbenstange 14 in Längsrichtung der Kolbenstange 14 verändert werden. Durch die Position des Pleuelverbindungsbauteils 64 an der Kolbenstange 14 wird das Verhältnis des Volumens der Arbeitskammer 20 im UT des Kolbens 12 zu dem Volumen der Arbeitskammer 20 im OT des Kolbens 12, also das Verhältnis des maximalen Volumens zu dem minimalen Volumen (Verdichtungsverhältnis) bestimmt. Durch Ändern dieser Position kann daher das Verdichtungsverhältnis verändert werden.
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Das Pleuelverbindungsbauteil 64 ist in der vorliegenden Ausführungsform konstruktionsbedingt aufgrund der beidseitigen Verbindung bzw. Anlenkung an die Pleuel 50 und 52 nicht drehbar bezüglich des ortsfesten Kurbelwellengehäuses 44. Eine Verstellung erfolgt daher durch Verdrehen der Kolbenstange 14 mittels der drehfest aber axial verschiebbar in der Kolbenstange 14 gelagerten Verstellstange 80. Die Kolbenstange 14 kann aufgrund ihrer rotationssymmetrischen Form im Bereich der Durchführung 16 durch die Trennwand 18 frei gedreht werden, ohne die Abdichtung zwischen der Trennwand 18 und der Kolbenstange 14 zu verringern. Auch der mit der Kolbenstange 14 in dieser Ausführungsform drehfest verbundene Kolben 12 kann aufgrund seiner rotationssymmetrischen Form frei im Zylinder 10 gedreht werden.
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Die Verstellstange 80 wird durch Betätigen des Elektromotors 88 mittels der Zahnräder 90 und 84 gedreht. Aufgrund der in Längsrichtung der Verstellstange 80 bzw. der Kolbenstange 14 gleitenden Lagerung der Verstellstange 80 in der Kolbenstange 14 hindert die Verstellstange 80 nicht die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Kolbenstange 14 während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Verdichtung bzw. der Verdichtungsgrad kann damit während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf einfache Weise verstellt bzw. eingestellt werden. Bevorzugt ist die Gewindesteigung des Innengewindes 76 und des Außengewindes 74 so gewählt, dass Selbsthemmung herrscht. Dadurch wird ermöglicht, dass die Verstellstange 80 nach der Verstellung drehmomentfrei in der Kolbenstange 14 geführt ist.
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In 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der insbesondere das Pleuelverbindungsbauteil, die Kolbenstange und die Verstellstange verschieden zu der ersten Ausführungsform ausgebildet sind. 4 zeigt die Querschnittansicht A-A aus 3. Da die Konstruktion, der Aufbau und die Funktion der übrigen Hubkolbenbrennkraftmaschine unverändert gegenüber der ersten Ausführungsform ist, wird dieselbe bzw. derselbe weder gezeigt noch beschrieben. Für Bauteile, die ähnlich oder gleich zu der ersten Ausführungsform sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet und lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben.
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Wie auch in der ersten Ausführungsform ist die Kolbenstange 14 gemäß der zweiten Ausführungsform ausgehend von dem dem Kolben 12 abgewandten Ende der Kolbenstange 14 über die zweite Länge l2 in Längsrichtung der Kolbenstange 14 hohl ausgebildet. Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, weist die Kolbenstange 14 an ihrem dem Kolben 12 abgewandten Ende einen verjüngten Bereich 106 auf. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform weist der verjüngte Bereich kein Außengewinde auf. Der verjüngten Bereich 106 weist stattdessen einen Nutbereich 108 auf, der eine Umfangsnut in der Kolbenstange 14 ausbildet.
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Auf das dem Kolben 12 abgewandte Ende der Kolbenstange 14 bzw. des verjüngten Bereichs 106 ist ein Hülsen- bzw. Deckelbauteil 110 aufgesetzt. Das Hülsenbauteil 110 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und weist an seinem dem Topfboden 112 entgegengesetzten Ende einen radial nach Innen vorstehenden Vorsprungsbereich 114 auf. Das Hülsenbauteil 110 weist einen Innenumfang auf, der geringfügig größer als der Außenumfang des verjüngten Bereichs 106 der Kolbenstange 14 ist. Der Vorsprungsbereich 114 ist so ausgebildet, dass er sowohl in Breite als auch Tiefe geringfügig kleiner als der Nutbereich 108 der Kolbenstange 14 ist. Im zusammengebauten Zustand ist das auf die Kolbenstange 14 aufgesetzte Hülsenbauteil 110 in Längsrichtung der Kolbenstange 14 an dieser befestigt aber frei relativ zu der Kolbenstange 14 um die Längsachse derselben drehbar. Das Hülsenbauteil 110 selbst kann beispielswiese aus zwei Hälften bestehe. Zur Montage an der Kolbenstange 14 werden die zwei Hälften auf der Kolbenstange 14 so montiert, dass die Vorsprungsbereiche 114 in den Nutbereich eingreifen. Anschließend wird das Pleuelverbindungsbauteil 64 von unten aufgeschraubt (bevor die Pleuel daran montiert sind), wodurch die zwei Hälften fest aneinander und an der Kolbenstange 14 befestigt sind. Alternativ kann auch das Pleuelverbindungsbauteil 54 aus zwei miteinander verschraubten Hälften ausgebildet sein.
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Auf der (gesamten) Außenumfangsseite des Hülsenbauteils 110 ist ein Außengewinde 116 ausgebildet. Zudem ist in dem Topfboden des Hülsenbauteils 110 ein Durchgangsloch 118 vorgesehen. Das Durchgangsloch 118 hat bevorzugt eine nicht rotationssymmetrische (unrunde) Innenquerschnittsform.
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Der Aufbau des Pleuelverbindungsbauteils 64 entspricht im Wesentlichen dem der ersten Ausführungsform. Das heißt, wie auch in der ersten Ausführungsform weist das Pleuelverbindungsbauteil 64 gegenüberliegende Ansätze 66 und 68 zur Verbindung mit den Pleueln 50 und 52 und einen zentralen muffenförmigen Bereich 65, in dessen Innenumfang ein Innengewinde 76 ausgebildet ist, auf. Das Innengewinde 76 ist zum Eingriff mit dem Außengewinde 116 des Hülsenbauteils 110 ausgebildet.
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Weiter ist, wie auch in der ersten Ausführungsform, eine Verstellstange 80 ausgebildet, die einen im Querschnitt bevorzugt rotationssymmetrischen (kreisrunden) Durchführungsbereich 83 aufweist. An dem dem Kolben 12 abgewandten Ende weist die Verstellstange 80 ein Zahnrad 84 auf und ist axial fest aber drehbar an einer nicht gezeigten Wand gelagert.
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Der Eingriffsbereich 82 der Verstellstange 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist ähnlich wie in der ersten Ausführungsform als Bereich mit nicht-rotationssymmetrischer (unrunder) Außenquerschnittsform ausgebildet, so dass er in dem Durchgangsloch 118 in dem Hülsenbauteil 110 in Längsrichtung der Verstellstange 80 gleitbar geführt und gleichzeitig drehfest mit dem Hülsenbauteil 110 verbunden ist.
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Im montierten Zustand wird in dieser Ausführungsform die Position des Pleuelverbindungsbauteils 64 bezüglich der Kolbenstange 14 dadurch verändert, dass aufgrund einer Drehung des Hülsenbauteils 110, das in Längsrichtung mit der Kolbenstange 14 im Eingriff ist, eine Relativbewegung zwischen dem Hülsenbauteil 110 und dem Pleuelverbindungsbauteil 64 in Längsrichtung der Kolbenstange 14 erfolgt. Die Drehung des Hülsenbauteils 110 wird durch den drehfesten Eingriff mit der Verstellstange 80 erreicht, die durch einen nicht gezeigten Motor/Aktuator angetrieben wird. Entgegen der ersten Ausführungsform muss bei der zweiten Ausführungsform keine Relativdrehung zwischen der Kolbenstange 14 und dem Pleuelverbindungsbauteil 64 stattfinden. Die Kolbenstange 14 und der Kolben 12 werden daher bei der Verstellung nicht mitgedreht bzw. können sich unabhängig von dem Pleuelverbindungsbauteil 64 und der Verstellstange 14 drehen.
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Das oben als aufgesetzt beschriebene Hülsenbauteil 110 kann auch mehrteilig (beispielsweise aus Boden und mehreren Hohlzylindern, die miteinander verschraubt sind) ausgebildet sein und an der Kolbenstange 14 drehbar montiert sein.
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In 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der insbesondere die Kolbenstange und das Pleuelverbindungsbauteil verschieden zu der zweiten Ausführungsform ausgebildet sind. Da die Konstruktion, der Aufbau und die Funktion der übrigen Hubkolbenbrennkraftmaschine unverändert ist, wird dieselbe weder gezeigt noch beschrieben. Weiter werden für Bauteile, die ähnlich oder gleich zu der ersten oder zweiten Ausführungsform sind, dieselben Bezugszeichen verwendet und werden lediglich die Unterschiede zu der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben.
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Der Aufbau der dritten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem der zweiten Ausführungsform. D. h., wie auch in der zweiten Ausführungsform erfolgt eine Verstellung des Angriffspunktes des Pleuelverbindungsbauteils 64 an der Kolbenstange 14 durch Verdrehen des auf die Kolbenstange 14 drehbar aufgesetzten Hülsenbauteils 110.
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Zu Sicherung eines Verdrehens des Kolbens 12 bzw. der Kolbenstange 14 in dem Zylinder 10 weist die Kolbenstange 14 in ihrem verjüngten Endbereich 102 ein Langloch 103 auf. Die Länge des Langlochs 103 entspricht mindestens der maximalen Verstelllänge l3 des Hülsenbauteils 110 bezüglich des Pleuelverbindungsbauteils 64. Weiter ist mindestens ein Schraubbolzen 104 in eine in dem Pleuelverbindungsbauteil 64 vorgesehenen Gewindebohrung 105 eingeschraubt. Der Schraubbolzen 104 steht im eingeschraubten Zustand bis in das Langloch 104 in der Kolbenstange 14 vor. Dadurch ist die Kolbenstange 14 drehfest mit dem Pleuelverbindungsbauteil 64 verbunden, so dass eine Relativdrehung der Kolbenstange 14 und des Kolbens 12 bezüglich des Pleuelverbindungsbauteils 64 verhindert wird. Somit wird in dieser Ausführungsform auch beim Verstellen des Verdichtungsverhältnisses der Kolben bezüglich des Zylinders 10 nicht gedreht. Der Schraubbolzen 104 steht soweit nach innen vor, dass er nicht in Kontakt mit der Verstellstange 80 ist, die in dem hohlen Kolbenstangebereich 78 entsprechend der Hubbewegung hin und her bewegbar angeordnet ist.
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Im Weiteren werden weitere mögliche Abwandlungen beschrieben.
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Die oben beschriebene rotationssymmetrische Ausbildung der Kolbenstange und des Durchführungsbereichs der Verstellstange ist nicht zwingend. die Abdichtung an dem Kurbelgehäuse kann bei nicht rotationssymmetrischer Ausbildung auch beispielsweise über eine sich mitdrehende Abdichtung erfolgen (Außenumfang der Abdichtung ist rotationssymmetrisch).
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Die Betätigung bzw. Verdrehung der Verstellstange kann wahlweise mittels Pressluft, Vakuum, elektromotorisch etc. erfolgen.
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Statt dem Vorsehen einer Verstellstange kann ein Zahnrad auch direkt starr an der Kolbenstange angebracht sein. Dieses Zahnrad kann dann der Bewegung der Kolbenstange 14 folgend mit einem weiteren (Antriebs-)Zahnrad in Längsrichtung der Kolbenstange gleitend im Eingriff sein. In diesem Fall müssen die Zahnbreiten so gewählt sein, dass ein durchgehender Eingriff der Zahnräder zwischen dem OT und UT gewährleistet ist. Alternativ kann ein Zahnrad an der Kolbenstange beispielsweise in einem sich an den Bereich des Außengewindes 74 anschließenden Verlängerungsbereich in Längsrichtung verschiebbar aber um die Längsachse drehfest drehfest montiert sein.
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Die oben angegeben Querschnittformen der Verstellstange bzw. des zentralen muffenförmigen Bereichs zur Sicherstellung der Drehmomentübertragung sind lediglich beispielhaft und können beliebig abgeändert werden. Das Pleuelverbindungsbauteil kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, d. h., es kann für jedes Pleuel ein Pleuelverbindungsbauteil vorgesehen sein.
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Die oben beschriebene Ausbauchung des Kurbelgehäuses wird insbesondere vorgesehen, wenn ein entsprechender Schmierölsumpf in derselben vorhanden sein soll. Bei schmiermittelfreier Ausbildung der Hubkolbenbrennkraftmaschine kann die Ausbauchung weggelassen werden. Insbesondere kann bei schmiermittelfreier Ausbildung der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf eine Durchführung der Verstellstange auf die Außenseite des Kurbelgehäuses verzichtet werden und die Verstellstange samt ihrem Antrieb in dem Kurbelgehäuse vorgesehen sein.
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Bei der in 1 dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine ist die Kolbenstange bis auf die Seite der Kurbelscheiben, die dem Kolben abgewandt ist, geführt. Die vorliegende Offenbarung ist nicht hierauf beschränkt und auch anwendbar auf Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Doppelkurbeltrieb, bei denen sich die Kolbenstange nur auf der dem Kolben zugewandten Seite der Mittelpunkte der Kurbeltriebe erstreckt.
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Die oben beschriebene Anordnung der Lufteinlass- und Luftauslasspfade, der Ventile, des Kurbelgehäuses etc. und die in 1 gezeigte Anordnung einer Zündkerze sind rein beispielhaft und können beliebig geändert werden. Die oben beschriebene integrierte Aufladung mit den verschiedenen Ventilen ist optional.
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Die vorstehend beschriebene Anbindung der Pleuel an die Kolbenstange kann auch bei mehrzylindrigen Motoren angewendet werden, wenn beispielsweise beidseitig der Lagerzapfen 92 und 94 Kurbelscheiben vorgesehen sind, wobei eines der Kurbelscheibenpaare mit der Kolbenstange eines Kolbens und das andere der Kurbelscheibenpaare mit der Kolbenstange eines weiteren Kolbens zusammenwirkt.
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Die Kurbelscheibe 48 ist mit ihrem Lagerzapfen 94 maschinenfest gelagert. Der Lagerzapfen 94 weisen beispielsweise eine Verlängerung auf, die beispielsweise zu einer Kupplung führt, über die die Kurbelscheibe 94 mit einem Getriebe eines Fahrzeugs verbunden ist. Die Ventile können über geeignete Zahnrad- und/oder Riemen- und/oder Nockenverbindungen über die Kurbelwelle(n) betätigt werden.
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Bei der Brennkraftmaschine gemäß 1 sind die beiden Kurbelscheiben 46 und 48 über ihre Umfangsverzahnungen in drehfestem Eingriff miteinander. Die Kurbelscheiben müssen nicht zwangsläufig in drehfestem Eingriff miteinander sein und können unter Verringerung ihres Außendurchmessers mit ihren Umfängen beabstandet angeordnet sein. Die synchrone gegenläufige Drehung der Kurbelscheiben kann in diesem Fall über die linear geführte Kolbenstange 14 und die Pleuel 50, 52 gewährleistet werden, wobei die Kolbenstange 14 vorteilhafterweise in ihrer Durchführung 16 durch die Trennwand 18 linear beweglich geführt ist.
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Die dritte Länge l3, mit der die Anlenkposition des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange in Längsrichtung der Kolbenstange verstellt werden kann, ist entsprechend einer gewünschten Verdichtungsverhältnisverstellung bemessen.
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Die zweite Länge l2 ist größer als der vorgesehene Kolbenhub.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinder
- 12
- Kolben
- 14
- Kolbenstange
- 16
- Durchführung (Öffnung)
- 18
- Trennwand
- 20
- Arbeitskammer
- 22
- Zylinderkopf
- 24
- Frischluftkammer
- 26
- Ansaugkanal
- 28
- Ansaugventil
- 30
- Auslassöffnung
- 32
- Verbindungskanal
- 34
- Zwischenventil
- 36
- Einlasskanal
- 38
- Einlassventil
- 40
- Auslasskanal
- 42
- Auslassventil
- 44
- Kurbelgehäuse
- 45
- Ausbauchung (Kurbelgehäusewand)
- 46
- Kurbelscheibe (Kurbel)
- 48
- Kurbelscheibe (Kurbel)
- 50
- Pleuel
- 52
- Pleuel
- 54
- Pleuelzapfen
- 56
- Pleuelzapfen
- 60
- Vorsprungsbereich
- 62
- Vorsprungsbereich
- 64
- Pleuelverbindungsbauteil
- 65
- zentraler muffenförmiger Bereich
- 66
- Ansatz
- 68
- Ansatz
- 69
- Flüssigkeitssumpf
- 70
- Verbindungsbolzen
- 72
- Verbindungsbolzen
- 74
- Außengewinde
- 76
- Innengewinde
- 78
- hohler Kolbenstangenbereich
- 80
- Verstellstange
- 82
- Eingriffsbereich
- 83
- Durchführungsbereich
- 84
- Zahnrad
- 86
- Lager
- 88
- Motor (Aktuator)
- 90
- Zahnrad
- 92
- Lagerzapfen
- 94
- Lagerzapfen
- 102
- verjüngter Bereich
- 103
- Langloch
- 104
- Schraubbolzen
- 105
- Gewindebohrung
- 106
- verjüngter Bereich
- 108
- Nutbereich
- 110
- Hülsenbauteil
- 112
- Topfboden
- 114
- Vorsprungsbereich
- 116
- Außengewinde
- 118
- Durchgangsloch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10247106 B4 [0002]
- DE 102011120162 A1 [0004]
