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Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für Umschaltventile eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis und einen Verbrennungsmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis.
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Bei Verbrennungsmotoren wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad aus. Unter dem Verdichtungsverhältnis wird das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung, wie bei Ottomotoren, die in der Regel ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich des Verbrennungsmotors, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich eines Verbrennungsmotors kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist.
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Aus der
DE 10 2010 016 037 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis bekannt. Pleuelstangen, die über ein Hublagerauge und ein Pleuellagerauge verfügen, sind über das Hublagerauge an eine Kurbelwelle und über das Pleuellagerauge an einen jeweiligen Zylinderkolben des Verbrennungsmotors anbindbar. Jeder Pleuelstange ist eine Exzenter-Verstelleinrichtung zugeordnet, die einen Exzenterkörper und Exzenterstangen aufweist.
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Der aus der
DE 10 2010 016 037 A1 bekannte Exzenterkörper weist eine exzentrisch zu einem Mittelpunkt des Pleuellagerauges angeordnete Kolbenbolzenbohrung mit einem Mittelpunkt auf, wobei die Kolbenbolzenbohrung einen Kolbenbolzen aufnimmt. Die Exzenter-Verstelleinrichtung dient der Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge leff, wobei als Pleuelstangenlänge der Abstand des Mittelpunkts der Kolbenbolzenbohrung zu einem Mittelpunkt des Hublagerauges zu verstehen ist. Zur Verdrehung des Exzenterkörpers und damit zur Veränderung der effektiven Pleuelstangenlänge leff sind die Exzenterstangen der Exzenter-Verstelleinrichtung verlagerbar. Jeder Exzenterstange ist ein Kolben zugeordnet, der in einer Hydraulikkammer verschiebbar gelagert bzw. geführt ist. In den Hydraulikkammern herrscht ein Hydraulikdruck, der auf die den Exzenterstangen zugeordneten Kolben einwirkt, wobei abhängig von der Ölmenge in den Hydraulikkammern die Verlagerung der Exzenterstangen möglich ist oder nicht möglich ist.
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Die Verstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung wird durch Einwirken von Massen- und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirken. Während eines Arbeitstakts verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirkenden Kräfte ständig. Die Verstellbewegung wird durch die mit Hydrauliköl beaufschlagten Kolben, die auf die Exzenterstangen einwirken, unterstützt, wobei die Kolben ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirkenden Kräfte verhindern. Die Exzenterstangen, die mit den Kolben zusammenwirken, sind beidseitig an den Exzenterkörper angebunden.
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Die Hydraulikkammern, in welchen die Kolben geführt sind, sind von dem Hublagerauge aus über Hydraulikölzulaufleitungen und mit Hydrauliköl beaufschlagbar bzw. befüllbar. Rückschlagventile verhindern ein Rückfließen des Hydrauliköls aus den Hydraulikkammern zurück in die Hydraulikölzulaufleitungen. In einer Bohrung der jeweiligen Pleuelstange ist ein Umschaltventil aufgenommen. Die Hydraulikkammern stehen über Hydraulikölablaufleitungen mit der Bohrung in Kontakt, welche das Umschaltventil aufnimmt. Die Schaltstellung des Umschaltventils bestimmt, welche der Hydraulikkammern mit Hydrauliköl befüllt und welche der Hydraulikkammern entleert wird, wobei hiervon die Verstellrichtung bzw. Verdrehrichtung der Exzenter-Verstelleinrichtung abhängt.
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Das aus der
DE 10 2010 016 037 A1 bekannte Umschaltventil umfasst ein Betätigungselement, eine Rückstellfeder und ein Steuerkolben.
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Wie ausgeführt, wird das Hydrauliköl, welches auf die in den Hydraulikkammern geführten Kolben der Exzenterstangen einwirkt, den Hydraulikkammern vom Hublagerauge aus über die Hydraulikölzulaufleitungen zugeführt, wobei die jeweilige Pleuelstange derart mit dem Hublagerauge an der Kurbelwelle angreift, dass zwischen der Kurbelwelle, nämlich einem Kurbelwellenlagerzapfen derselben, und dem Hublagerauge eine Pleuellagerschale angeordnet ist.
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Über die Hydraulikölablaufleitungen können die Hydraulikkammern abhängig von der Schaltstellung des Umschaltventils entlüftet werden. Hiervon hängt die Verstellrichtung bzw. Verdrehrichtung der Exzenter-Verstelleinrichtung ab.
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Die
DE 10 2012 112 461 A1 beschreibt einen weiteren Verbrennungsmotor mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis, bei dem die Pleuellänge der Pleuelstangen variabel einstellbar ist. In einer Bohrung der jeweiligen Pleuelstange ist wiederum ein Umschaltventil aufgenommen, welches einen Abgreifer umfasst. Über den Abgreifer ist das jeweilige Umschaltventil betätigbar, nämlich über eine am Abgreifer angreifende Betätigungseinrichtung.
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Die WO 2014/ 019 684 A1 offenbart eine Betätigungseinheit für Umschaltventile eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis. Die Betätigungseinheit wird von einem Modul mit mehreren Kurvenscheibenelementen bereitgestellt. Jedes Kurvenscheibenelement dient der Ansteuerung eines Wegeventils über ein Schaltelement. Das Wegeventil ist mit einem hydraulischen Schalter verbunden, wobei der Schalter aus einem Kolben besteht, der gegen eine Federkraft wirkt.
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Es besteht Bedarf an einer Betätigungseinrichtung für die Umschaltventile eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, die bei einfacher Bauart eine zuverlässige Betätigung der Umschaltventile eines Verbrennungsmotors zulässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Betätigungseinrichtung für die Umschaltventile eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis und einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Betätigungseinrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Betätigungseinrichtung für die Umschaltventile eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis verfügt über eine einfache Bauart und lässt eine zuverlässige Betätigung der Umschaltventile eines Verbrennungsmotors zu. Das Rückstellelement stellt die Schaltgabeln selbsttätig in die erste Schaltposition zurück.
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Vorzugsweise sind alle Schaltgabeln an einer gemeinsamen Tragstruktur befestigt, wobei alle Schaltgabeln gemeinsam gegen die Rückstellkraft eines gemeinsamen Rückstellelements von einer ersten Schaltposition in eine zweite Schaltposition verlagerbar sind, wobei die Rückstellkraft des gemeinsamen Rückstellelements alle Schaltgabeln gemeinsam und selbsttätig in Richtung auf die erste Schaltposition bewegt. Die Bauart der Betätigungseinrichtung ist besonders einfach und bevorzugt.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Tragstruktur einen Montagerahmen und mindestens ein relativ zum Montagerahmen verlagerbares, vorzugsweise ein für alle Schaltgabeln gemeinsames, Führungselement auf, wobei die Schaltgabeln an dem jeweiligen Führungselement befestigt sind. Das Rückstellelement stützt sich nach einer ersten Variante einerseits am Montagerahmen der Tragstruktur und andererseits an einem der Führungselemente oder an dem für alle Schaltgabeln gemeinsamen Führungselement der Tragstruktur ab. Nach einer zweiten Variante stützt sich das Rückstellelement einerseits an einem der Führungselemente oder an dem für alle Schaltgabeln gemeinsamen Führungselement der Tragstruktur und andererseits am oder im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors ab. Die Betätigungseinrichtung verfügt über eine einfache Bauart und lässt eine zuverlässige Betätigung der Umschaltventile zu.
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Vorzugsweise verlagert ein Aktuator alle Schaltgabeln gemeinsam gegen die Rückstellkraft des Rückstellelements von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition, wobei bei aktivem Aktuator derselbe die Schaltgabeln von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition verlagert, und wobei bei inaktivem Aktuator das Rückstellelement die Schaltgabeln aus der zweiten Schaltposition in die erste Schaltposition drückt. Die Betätigungseinrichtung verfügt über eine einfache Bauart und lässt eine zuverlässige Betätigung der Umschaltventile zu.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis ist in Patentanspruch 10 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine Pleuelstange mit Exzenter-Verstelleinrichtung und Umschaltventil;
- 2 eine Betätigungseinrichtung für Umschaltventile der Pleuelstangen;
- 3 eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung; und
- 4 eine weitere erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung.
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1 zeigt eine Pleuelstange 1 eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Pleuelstange 1 weist einen Pleuelstangengrundkörper 7 mit einem Pleuellagerauge 2 und einem Hublagerauge 3 auf.
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Das Pleuellagerauge 2 dient der Anbindung der jeweiligen Pleuelstange 1 an einen Zylinderkolben (nicht gezeigt) eines jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors. Das Hublagerauge 3 dient der Anbindung der jeweiligen Pleuelstange 1 an eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors.
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Die Pleuelstange 1 der 1 weist eine zumindest abschnittsweise in dem Pleuellagerauge 2 angeordnete, bevorzugt hydraulisch verstellbare Exzenter-Verstelleinrichtung 6 auf. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 6 weist eine exzentrisch zu einer Mittelachse 8 des Pleuellagerauges 2 angeordnete Kolbenbolzenbohrung mit einer Mittelachse auf, welche einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) aufnimmt. Über den Kolbenbolzen ist die jeweilige Pleuelstange 1 an den Zylinderkolben des jeweiligen Zylinders gekoppelt.
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Die Exzenter-Verstelleinrichtung 6 dient der Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge leff der Pleuelstange 1. Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 6 wird durch Einwirken von Massen- und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzentereinrichtung 6 wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzentereinrichtung 6 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch mit Hydraulikfluid, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, in der Pleuelstangenanordnung 1 integrierte und in Hydraulikkammern geführte Kolben unterstützt, bzw. die Kolben verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 6 wirkenden Kräfte.
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Die Kolben der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 sind mittels Exzenterstangen 4, 5 beidseitig mit einem Exzenterkörper 9 der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 wirkverbunden. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 6 kann die Kolben, die Exzenterstangen 4, 5 und den Exzenterkörper 9 aufweisen. Die Kolben der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 sind über in 1 nicht gezeigten Hydraulikflüssigkeitsleitungen von dem Hublagerauge 3 aus mit Hydraulikflüssigkeit über in 1 nicht gezeigte Rückschlagventile beaufschlagt. Die Rückschlagventile verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Kolbenvolumina der Kolben zurück in die Hydraulikflüssigkeitsleitungen in einen Motorinnenraum des Verbrennungsmotors.
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In einer Bohrung der jeweiligen Pleuelstange 1 ist ein Umschaltventil 10 aufgenommen.
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Die Hydraulikkammern der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 der jeweiligen Pleuelstange 1 stehen über Hydraulikflüssigkeitsleitungen mit der Bohrung in Kontakt, welche das Umschaltventil 10 aufnimmt. Die Schaltstellung des Umschaltventils 10 bestimmt, welche der Hydraulikkammern mit Hydrauliköl befüllt und welche der Hydraulikkammern entleert wird, wobei hiervon die Verstellrichtung bzw. Verdrehrichtung der Exzenter-Verstelleinrichtung 6 abhängt.
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Das jeweilige Umschaltventil
10 der jeweiligen Pleuelstange
1 weist einen Abgreifer
12 auf. Über den Abgreifer
12 ist das jeweilige Umschaltventil
10 betätigbar, nämlich über eine am Abgreifer
12 angreifende Betätigungseinrichtung. Details des Umschaltventils
10 der jeweiligen Pleuelstange
1 und des Abgreifers
1412 des jeweiligen Umschaltventils
10 sind dem angesprochenen Fachmann z.B. aus der
DE 10 2012 112 461 A1 geläufig.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft Details einer Betätigungseinrichtung 11 für einen solchen Verbrennungsmotor mit variabel einstellbarem Verdichtungsverhältnis, nämlich eine Betätigungseinrichtung 11, die der Betätigung der Abgreifer 12 der Umschaltventile 10 mehrerer Pleuelstangen 1 dient.
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Eine Betätigungseinrichtung 11 zur Betätigung mehrerer Umschaltventile 10 eines Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis verfügt über mehrere Schaltgabeln 13, wobei jede der Schaltgabeln 13 jeweils mit einem Abgreifer 12 jeweils eines zu betätigenden Umschaltventils 10 zusammenwirkt. Alle Schaltgabeln 13 sind vorzugsweise an einer gemeinsamen Tragstruktur 14 befestigt.
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Die Tragstruktur 14 der Betätigungseinrichtung 11 weist einen Montagerahmen 15 sowie mindestens ein, im gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein für alle Schaltgabeln 13 gemeinsames, relativ zum Montagerahmen 15 verlagerbares Führungselement 16. Das Führungselement 16 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über zwei parallel zueinander verlaufende Führungsschienen 17, 18 die über einen Verbindungssteg 19 fest miteinander verbunden sind. An jeder Führungsschiene 17, 18 des Führungselements 16 sind mehrere Schaltgabeln 13 befestigt. Über den Montagerahmen 15 ist die gesamte Betätigungseinrichtung 11 am Kurbelgehäuse (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors montierbar, nämlich über nicht gezeigte Montageschrauben, die sich durch Montageöffnungen 20 im Montagerahmen 15 erstrecken.
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Wie bereits ausgeführt, ist das Führungselement 16 der Betätigungseinrichtung 11, an welchem die Schaltgabeln 13 befestigt sind, relativ zum Montagerahmen 15 verlagerbar, nämlich in Richtung des Doppelpfeils 21. Durch diese Relativbewegung der Schaltgabeln 13 der Betätigungseinrichtung 11 relativ zum Montagerahmen 15 derselben kann dann, wenn sich während eines Arbeitstakts eines Zylinders das in die jeweilige Pleuelstange 1 des jeweiligen Zylinders integrierte Umschaltventil 10 in den Bereich der jeweiligen Schaltgabel 16 der Betätigungseinrichtung 15 bewegt hat, der Abgreifer 12 des jeweiligen Umschaltventils 10 zur Betätigung desselben aktuiert werden.
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Die Schaltgabeln 13 der Betätigungseinrichtung 11 sind demnach gemeinsam mit Hilfe des im gezeigten Ausführungsbeispiel für alle Schaltgabeln gemeinsamen Führungselements 16 der Tragstruktur 14, an welchem die Schaltgabeln 13 befestigt sind, relativ zum Montagerahmen 15 der Tragstruktur 14 und damit relativ zu den Abgreifern 12 der Umschaltventile 10 verlagerbar, nämlich zwischen einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung der Schaltgabeln 13.
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Über die Schaltgabeln 13 der Betätigungseinrichtung 11 kann in der jeweiligen Schaltstellung eine definierte Schaltposition der Umschaltventile 10 der Pleuelstangen 1 des Verbrennungsmotors mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis eingestellt werden.
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Die Verlagerung der Schaltgabeln 13 der Betätigungseinrichtung 11 von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition erfolgt vorzugweise mit Hilfe eines nicht dargestellten Aktuators, wobei alle Schaltgabeln 13 gemeinsam gegen die Rückstellkraft, insbesondere die Federkraft, eines vorzugsweise für alle Schaltgabeln 13 gemeinsamen und vorzugsweise als Federelement ausgebildeten Rückstellelements 22 von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition verlagerbar sind, und wobei die Rückstellkraft, insbesondere die Federkraft, des vorzugsweise als Federelement ausgebildeten Rückstellelements 22 alle Schaltgabeln 13 gemeinsam und selbsttätig aus der zweiten Schaltposition heraus in Richtung auf die erste Schaltposition drückt, nämlich dann, wenn der Aktuator nicht aktiv ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung, obwohl auch andere Rückstellelemente Verwendung finden können, für den Fall eines als Federelement ausgebildeten Rückstellelements 22 beschrieben.
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Bei aktivem Aktuator verlagert derselbe demnach alle Schaltgabeln 13 gemeinsam von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition entgegen der Federkraft des Federelements 22.
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Bei inaktivem Aktuator drückt das Federelement 22 alle Schaltgabeln 13 der Betätigungseinrichtung 11 gemeinsam aus der zweiten Position in die erste Schaltposition.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 greift das Federelement 22 einerseits am Montagerahmen 15 der Tragstruktur 14 und andererseits am Führungselement 16 der Tragstruktur 14 an. Dabei stützt sich das Federelement 22 mit einem ersten Ende an dem Montagerahmen 15 und mit einem zweiten Ende an dem Führungselement 16 ab.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer Betätigungseinrichtung 11, bei welcher sich das Federelement 22 einerseits an dem im gezeigten Ausführungsbeispiel für alle Schaltgabeln gemeinsamen Führungselement 16 Tragstruktur 14 andererseits am oder im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors abstützt, wobei in 4 ein Gegenlager 23 für das Federelement 22 gezeigt ist, welches im oder am Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung 11 verfügt über einen einfachen Aufbau und erlaubt eine zuverlässige Betätigung der Schaltgabeln 13, nämlich eine zuverlässige Verlagerung der Schaltgabeln 13 zwischen der ersten Schaltposition und der zweiten Schaltposition. Bei aktivem bzw. bestromten Aktuator überführt derselbe alle Schaltgabeln 13 gemeinsam von der Schaltposition in die zweite Schaltposition, und zwar entgegen der Federkraft des jeweiligen Federelements 22. Die Federkraft des Federelements 22 drückt die Schaltgabeln 13 gemeinsam in Richtung auf die erste Schaltposition. Dann, wenn der Aktuator inaktiv ist bzw. nicht bestromt ist, zum Beispiel infolge einer absichtlichen Inaktivierung oder infolge einer unabsichtlichen Inaktivierung infolge eines Stromausfalls, drückt die Federkraft des Federelements 22 alle Schaltgabeln 13 gemeinsam und selbsttätig in die erste Schaltposition, sodass dann eine definierte Schaltposition für die Schaltgabeln 13 gewährleistet ist.
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Lediglich für das Halten der zweiten Schaltposition muss der Aktuator bestromt sein. Für die zweite Schaltposition ist keine Bestromung erforderlich. Hierdurch kann der Energiebedarf der Aktuierung reduziert werden.
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Beim Aktuator (nicht gezeigt), der die Schaltgabeln 13 entgegen der Rückstellkraft des Rückstellelements 22 von der ersten Schaltposition in die zweite Schaltposition verlagert, handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Stellmotor.
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Die betrifft weiterhin einen Verbrennungsmotor mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, der eine solche Betätigungseinrichtung 11 umfasst.
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Obwohl eine Betätigungseinrichtung mit einer für alle Schaltgabeln gemeinsamen Tragstruktur und einem für alle Schaltgabeln gemeinsamen Führungselement und einem für alle Schaltgabeln gemeinsamen Rückstellelement bevorzugt ist, ist es auch möglich, dass die Betätigungseinrichtung mehrere gekoppelte Tragstrukturen und/oder mehrere gekoppelte Führungselemente und/oder mehrere Rückstellelemente aufweist. Die Kopplung der Tragstrukturen und/oder Führungselemente kann über entsprechende Koppelglieder oder über Umlenkgetriebe erfolgen.
