DE102016120994A1

DE102016120994A1 - Längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit Ölabstreifer

Info

Publication number: DE102016120994A1
Application number: DE102016120994.5A
Authority: DE
Inventors: Zoltán RIBA; Kai Arens; Martin Bodensteiner; Steffen Latz; Malte Heller
Original assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2018-05-03
Also published as: AT519304B1; AT519304A2; AT519304A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einem ersten Pleuelteil, einem zweiten Pleuelteil und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben mit Kolbenstange, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und einer zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung, wobei die Kolbenstange sich durch eine Stangenbohrung erstreckt in der sich radial um die Kolbenstange herum ein Ölabstreifer erstreckt. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einem ersten Pleuelteil, einem zweiten Pleuelteil und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben mit Kolbenstange, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und einer zwischen einer Außenwandung des Verstellkolbens und einer Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung, wobei sich die Kolbenstange durch eine Stangenbohrung in der Zylinder-Kolben-Einheit erstreckt. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.
Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen V_h + Kompressionsvolumens V_c) / Kompressionsvolumen V_c). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.
In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsgemischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck, auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. Entsprechend ist im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen.
Für die Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VCR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des CO₂-Ausstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und dem CO₂-Ausstoß.
Bereits die Druckschrift US 2,217,721 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, die gemeinsam einen Hochdruckraum ausbilden. Zur Befüllung und Entleerung des Hochdruckraums mit Motoröl und damit zur Längenänderung der Pleuelstange ist ein hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Steuerventil mit federvorgespanntem Verschlusselement vorgesehen, das durch den Druck des Motoröls in eine geöffnete Stellung verschiebbar ist.
Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor zeigt die EP 1 426 584 A1 , bei der ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Exzenter eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht. Dabei erfolgt eine Fixierung des Exzenters in der einen oder anderen Endstellung des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung. Aus der DE 10 2005 055 199 A1 geht ebenfalls die Funktionsweise eines längenvariablen Pleuels hervor, mit dem verschiedene Verdichtungsverhältnisse ermöglicht werden. Die Realisierung erfolgt auch hier über einen Exzenter im kleinen Pleuelauge, das in seiner Position durch zwei Hydraulikzylinder mit veränderbarem Widerstand fixiert wird.
Die WO 2013/092364 A1 beschreibt eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Stangenteilen, wobei ein Stangenteil einen Zylinder und das zweite Stangenteil ein längsverschiebbares Kolbenelement ausbildet. Zwischen dem Verstellkolben des ersten Stangenteils und dem Zylinder des zweiten Stangenteils ist ein Hochdruckraum ausgebildet, der über einen hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Ölkanal und einem öldruckabhängigen Ventil mit Motoröl versorgt wird. Eine ähnliche längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit teleskopartig verschiebbaren Stangenteilen ist in der WO 2015/055582 A2 gezeigt.
Gemäß der WO 2015/055582 A2 soll das Verdichtungsverhältnis im Verbrennungsmotor durch die Pleuellänge verstellt werden. Die Pleuellänge beeinflusst das Kompressionsvolumen im Verbrennungsraum, wobei das Hubvolumen durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben ist. Eine kurze Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen, z.B. Kolben, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Ventilsteuerung etc.. Bei den bekannten längenverstellbaren Pleuelstangen wird die Länge der Pleuellänge hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert. Dabei ist die gesamte Pleuelstange mehrteilig ausgeführt, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus erfolgt, der mittels eines doppelwirkenden Hydraulikzylinders verstellbar ist. Das kleine Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kolbenbolzens, ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil). Der zugehörige Verstellkolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem großen Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens, angeordnet ist. Der Verstellkolben trennt den Zylinder in zwei Druckräume, eine obere und eine untere Druckraum. Diese beiden Druckräume werden über Rückschlagventile mit Motoröl versorgt, wobei die Versorgung mit Motoröl über die Schmierung des Pleuellagers erfolgt. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zum Pleuel und dort über die Rückschlagventile in die Druckräume erforderlich.
Ist die Pleuelstange in der langen Position, befindet sich kein Motoröl in dem oberen Druckraum. Der untere Druckraum hingegen ist vollständig mit Motoröl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Position des Pleuels wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit einem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den ölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an, wobei in dem unteren Druckraum sehr hohe dynamische Drücke von deutlich über 1.000 bar entstehen können. Die Pleuellänge ändert sich nicht. Das Pleuel ist in dieser Richtung hydraulisch gesperrt.
In der kurzen Stellung des Pleuels drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum ist leer, die obere Druckraum ist mit Motoröl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in dem oberen Druckraum. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen.
Die Pleuellänge kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume entleert wird. Hierfür wird von dem Verstellmechanismus jeweils eines der beiden Rückschlagventile im Zulauf überbrückt oder ein zugeordneten Rücklaufkanal geöffnet. Durch diese Rücklaufkanäle kann Motoröl unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und der Versorgungseinrichtung in das Kurbelgehäuse fließen. Das jeweilige Rückschlageventil verliert entsprechend seine Wirkung. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch ein Steuerventil geöffnet und geschlossen, wobei immer genau ein Rücklaufkanal offen, der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung der beiden Rücklaufkanäle wird hier hydraulisch durch den Versorgungsdruck angesteuert.
Der Bauraum für eine solche Pleuelstange ist sowohl axial als auch radial begrenzt. In Kurbelwellenrichtung wird der Bauraum durch die Lagerbreite und den Abstand der Gegengewichte begrenzt. Axial ist ohnehin nur der Bauraum zwischen dem kleinen Pleuelauge zur Lagerung des Kolbenbolzens und dem großen Lagerauge zur Lagerung des Kurbelwellenzapfens und ein eventueller Verstellhub der Pleuelstange vorhanden.
Die in einem Verbrennungsmotor von einer Pleuelstange zu übertragenden Kräfte sind beträchtlich, weshalb auch die Drücke in dem Druckraum des Verstellmechanismus erheblich sein können. Angesichts der hohen Innendrücke bei einem solchen Verstellmechanismus ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe problematisch, aber auch die Konstruktion des Verstellmechanismus im Hinblick auf den geringen Bauraum.
Ein weiterer Aspekt einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor ist, dass der hydraulische Verstellmechanismus üblicherweise von dem Motoröl des Verbrennungsmotors gespeist wird, dessen Viskosität nicht nur mit der Betriebstemperatur sondern auch mit zunehmender Betriebsdauer abnimmt und in dem schädliche Partikel in den Verstellmechanismus des Pleuels eingetragen werden. Neben Rußpartikeln, die bei der Verbrennung im Motor entstehen können, werden über das Motoröl auch Gussrestpartikel oder Späne aus der Herstellung und Bearbeitung des Motors transportiert. Unabhängig von einer Viskositätsabnahme des Motoröls sowie den durch das Motoröl in den Verstellmechanismus transportierten Partikeln, muss der Verstellmechanismus einer längenverstellbaren Pleuelstange auf Dauer funktionsfähig bleiben.
Im Hinblick auf die extremen Druckdifferenzen in den Druckräumen einer Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange von deutlich über 1.000 bar und dem Einfluss der Kraftübertragung über die Pleuelstange an die Kurbelwelle auf die Leistung des Verbrennungsmotors, werden in herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen berührende Dichtungseinrichtungen oder konstruktiv ausgebildete Dichtungen eingesetzt. Eine Leckage aus dem jeweils gesperrten Druckraum führt zu einem Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen Druckraum, wodurch ein Arbeitsbetrag entsprechend der Kraft auf den Verstellkolben und dem Weg des Verstellkolbens dissipiert wird, was zum Leistungsverlust des Verbrennungsmotors führt. Dieser Leistungsverlust ist entsprechend den jeweiligen Konstruktionen der Zylinder-Kolben-Einheiten von dem verbesserten thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch ein variables Verdichtungsverhältnis abzuziehen. In herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen mit einer Zylinder-Kolben-Einheit werden als Dichtungseinrichtungen einfache Spaltdichtungen oder Kolbendichtungen verwendet. Während Spaltdichtungen konstuktionsbedingt eine gewisse Leckage aufweisen, können Kolbendichtungen als berührende Dichtungseinrichtungen eine Leckage nahezu vermeiden. Die Vorteile von Spaltdichtungen sind die einfache Montage, aufgrund der geringeren Bauteilanzahl und ein geringerer Bauraum der Zylinder-Kolben-Einheit. Demgegenüber verursacht die systemimmanente Leckage bei Spaltdichtungen neben einem Leistungsverlust auch eine Erwärmung des Systems. Hohe Temperaturen in der längenverstellbaren Pleuelstange könnten neben einer verstärkten Alterung des Motoröls zu Schäden an dem Hydraulikmittelversorgung und zu Problemen an weiteren Bauteilen der längenverstellbaren Pleuelstange aufgrund thermischer Ausdehnungen führen.
Obwohl in vielen Bereichen der Technik Kolbenhubmaschinen hinlänglich bekannt sind und im Bereich der Automobilindustrie Hubkolben-Motoren beständig optimiert, verbessert und weiterentwickelt werden, ist die Dichtungssituation bei Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen trotz umfangreicher Entwicklungs- und Forschungsarbeiten weiterhin unbefriedigend, insbesondere im Hinblick auf die notwendige Lebensdauer längenverstellbarer Pleuelstangen gegenüber der gesamten Laufzeit von Verbrennungsmotoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hubkolbenmaschinen unterliegen berührende Kolbendichtungen in einer Zylinder-Kolben-Einheit längenverstellbarer Pleuelstangen zusätzlich zum Verschleiß durch die metallische Berührung einer erhöhten Belastung durch den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum, die extreme Temperaturbelastung durch extrem hohe Drücke und wechselnden Kraftrichtungen sowie die Verschmutzung des Motoröls mit Rußpartikeln und Spänen. Dies führt zu einem schnellen Verschleiß der Kolbendichtungen, insbesondere durch die von Rußpartikeln und Spänen induzierten Riefenbildungen in den Dichtungsflächen und den Wandungen der Zylinder-Kolben-Einheit, und schlussendlich zu einem Versagen der Dichtungseinrichtung und Leistungsverlust des Verbrennungsmotors. Auch die alternativ zu Kolbendichtungen in Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen eingesetzten Spaltdichtungen unterliegen einem Verschleiß, da der Spalt zwischen Zylinder und Verstellkolben zur Erzielung einer für die extreme Druckdifferenz ausreichende Dichtwirkung verhältnismäßig klein gewählt werden muss, so dass sich auch hier Rußpartikel und Späne zwischen der Zylinderwandung und dem Kolbenmantel verklemmen können, was zu Beschädigungen an den Oberflächen und letztlich zu einem Verschleiß und Ausfall der Zylinder-Kolben-Einheit führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit einer verbesserten Betriebssicherheit bereitzustellen, die trotz hoher Druckdifferenzen, geringem Bauraum, hohen Temperaturbelastungen und Verschmutzungen des Motoröls eine dauerhafte Dichtfunktion ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zylinder-Kolben-Einheit mindestens einen Stangen-Abstreifer aufweist, wobei der Stangen-Abstreifer in der Stangenbohrung angeordnet ist und radial mit der Kolbenstange in Gleitkontakt steht, um bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange in die Zylinder-Kolben-Einheit Motoröl von der Kolbenstange abzustreifen. Dieser an dem in Richtung des Kurbelgehäuses liegenden Ende der Stangenbohrung positionierte Stangen-Abstreifer verhindert, dass schmutzbelastetes Motoröl aus dem Kurbelgehäuse über die Kolbenstange in den Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit gelangt. Die Verunreinigungen im Motoröl durch Rußpartikel und Späne sind im Bereich des Kurbelgehäuses deutlich erhöht, insbesondere gegenüber dem Motoröl, das zur Betätigung der Zylinder-Kolben-Einheit über die Kurbelwelle, bzw. die längenverstellbare Pleuelstange in den Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit gelangt. Eine solche separate Ölversorgung kann das notwendige Motoröl nicht nur aus einem mit Partikeln gering belasteten Bereich des Motorölkreislaufs entnehmen, sondern ermöglicht gegebenenfalls auch eine Reinigung des zugeführten Motoröls oder zumindest eine Abscheidung von Partikeln. Der um die Kolbenstange herum eng anliegende Stangen-Abstreifer verhindert den Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl in die Zylinder-Kolben-Einheit, da bei der Bewegung des Verstellkolbens an der in die Zylinder-Kolben-Einheit einfahrenden Kolbenstange nur ein hauchdünner Ölfilm ohne Partikel an der Kolbenstange haften bleibt und so alle die Funktion und Dichtungen der Zylinder-Kolben-Einheit belastenden Späne und Rußpartikel in dem Kurbelgehäuse verbleiben. Entsprechend können die durch Schmutzpartikel aus dem Motoröl verursachte Beschädigungen und beschleunigter Verschleiß an den Dichtungsoberflächen und ein letztendlicher Ausfall der Zylinder-Kolben-Einheit verhindert oder zumindest das Risiko hierfür deutlich reduziert werden.
Für eine sichere Positionierung und Fixierung des Stangen-Abstreifers kann an dem in Richtung des Kurbelgehäuses liegenden Ende der Stangenbohrung eine umlaufende Bohrungsnut vorgesehen und der Stangen-Abstreifer in dieser Bohrungsnut angeordnet sein. Im Hinblick auf die hohen Systemdrücke in der Zylinder-Kolben-Einheit ist eine entsprechend sichere Anordnung des Stangen-Abstreifers erforderlich, um die für die Nutzung in einem Verbrennungsmotor notwendigen langen Betriebszeiten zu erzielen. Alternativ kann der Stangen-Abstreifer auch an einer Schulter in der Stangenbohrung positioniert werden, sofern der Stangen-Abstreifer in seiner Position durch geeignete Elemente, beispielsweise einen Sicherungsring, fixiert und dauerhaft gehalten wird.
Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass in der Stangenbohrung mindestens eine Stangendichtung, bevorzugt mindestens zwei Stangendichtungen vorgesehen sind, wobei die mindestens eine Stangendichtung in einer separaten umlaufenden Bohrungsnut in der Stangenbohrung angeordnet ist und mit der Kolbenstange in Gleitkontakt steht. Die in Richtung der Zylinderbohrung nach dem Stangen-Abstreifer angeordnete mindestens eine Stangendichtung kann auch im Bereich der Kolbenstange eine entsprechende Abdichtung der Zylinderbohrung und trotzdem die Bewegbarkeit der Kolbenstange gewährleisten. Dabei verhindert der Stangen-Abstreifer einen Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl zwischen die Kolbenstange und die Stangendichtung und vemeidet damit einen Verschleiß, eine Beschädigung und letztendlich einen Ausfall der Stangendichtung. Der Einsatz von mehreren Stangendichtungen zwischen dem Stangen-Abstreifer und dem in Richtung der Zylinderbohrung liegenden Ende der Stangenbohrung kann im Bereich der Kolbenstange einen Abbau des hohen Systemdrucks in der Zylinder-Kolben-Einheit in mehreren Stufen ermöglichen, sodass entsprechend einfach konstruierte und kostengünstige Stangendichtungen verwendet werden können. Alternativ zu der mindestens einen Stangendichtung kann zwischen der Kolbenstange und der Stangenbohrung auch eine Spaltdichtung vorgesehen sein, die eine Leckage von Motoröl aus der Zylinderbohrung zwar nicht vollständig unterbinden kann, aber ein entsprechend kleines Spaltmaß kann trotzdem eine ausreichende Begrenzung des Leckagestroms und eine sinnvolle Dichtwirkung erzielen. Dazu sollte das Spaltmaß höchstens 30 µm, zumindest höchstens 50 µm, betragen.
Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass die Dichtungseinrichtung zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung mindestens einen Zylinder-Abstreifer umfasst, wobei der Zylinder-Abstreifer an einem dem ersten Druckraum zugewandten Ende der Außenwandung des Verstellkolbens angeordnet ist. Der Zylinder-Abstreifer, der zwischen dem mit Motoröl gefüllten Druckraum und der berührenden oder berührungslosen Dichtungseinrichtung zwischen Verstellkolben und Zylinderbohrung angeordnet ist, verhindert oder reduziert den Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl in den Spalt zwischen Verstellkolben und Zylinderbohrung. Bei einem hohen Systemdruck in dem mit Motoröl gefüllten Druckraum kann zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder-Abstreifer ein Ölreservoir vorgesehen sein, das mit dem Druckraum über einen optionalen Ölfilter vebunden ist und ein Einsaugen der Absteiflippe oder eine Beschädigung des Zylinder-Abstreifers verhindert. Dadurch wird die Gefahr von Verschleiß, Beschädigung und Ausfall der Dichtungseinrichtung reduziert und letztendlich die Lebensdauer der Zylinder-Kolben-Einheit deutlich erhöht. Für eine sichere Positionierung des Zylinder-Abstreifers auf dem Verstellkolben ist dieser in einer umlaufenden Kolbennut an der Außenwandung des Verstellkolbens fixiert.
Bevorzugt kann die Dichtungseinrichtung zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung als Spaltdichtung ausgebildet sein. Eine solche Spaltdichtung ermöglicht geringe Baumaße der Zylinder-Kolben-Einheit und erleichtert dadurch deren Integration und Einbau in eine längenverstellbare Pleuelstange und ermöglicht trotz der konstruktionsbedingten Leckage eine für den Betrieb ausreihende Abdichtung durch die Dichtungseinrichtung. Alternativ kann zwischen dem Verstellkolben und der Zylinderbohrung auch eine berührende Kolbendichtung, bevorzugt mehrere Kolbendichtungen, eingesetzt werden, die eine Leckage von Motoröl aus dem ersten Druckraum verhindern und beim Einsatz mehrerer Kolbendichtungen auch einen stufenweisen Druckabbau des hohen Systemdrucks ermöglichen.
Eine sinnvolle Ausgestaltung der Spaltdichtung zwischen Außenwandung des Verstellkolbens und Innenwandung der Zylinderbohrung sieht vor, dass die Spaltdichtung ein Spaltmaß von höchstens 20 µm, bevorzugt von höchstens 10 µm, aufweist. Bei einem Durchmesser des Verstellkolbens einer Zylinder-Kolben-Einheit einer längenverstellbaren Pleuelstange von ca. 12 bis 20 mm, ermöglicht ein derart geringes Spaltmaß der Spaltdichtung eine deutliche Verbesserung der Dichtwirkung gegenüber herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen und entsprechend eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors durch die Begrenzung des Absinkens des Verstellkolbens in den Druckraum.
Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass der Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit als zweiseitig wirkender Verstellkolben ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordnete Verstellkolben einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und jeweils einseitig begrenzt. Ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ermöglicht die Verstellung des Hubs der Kolbenstange sowohl in Richtung eines größeren Verdichtungsverhältnisses als auch in Richtung eines geringeren Verdichtungsverhältnisses mit einer einzelnen Zylinder-Kolben-Einheit. Es wird also derselbe Verstellkolben, anders als bei der DE 10 2005 055 199 A1 , zur bidirektionalen Verstellung des Kolbenhubs, bzw. des Verdichtungsverhältnisses verwendet. Günstigerweise kann hier ein Stufenkolben eingesetzt werden, mittels dessen größerer Stirnseite bei entsprechender Druckbeaufschlagung die Pleuelstange in ihre ausgefahrene Stellung gedrückt wird. Aufgrund der vorherrschenden Kraftverhältnisse in einem Verbrennungsmotor reicht die kleinere Stirnfläche für die Verstellung in die entgegengesetzte Richtung üblicherweise aus. Um ein Eindringen von Partikeln aus dem Motoröl in den Spalt zwischen Verstellkolben und Zylinderbohrung, sowohl vom ersten Druckraum als auch vom zweiten Druckraum aus, zu verhindern, kann der Verstellkolben an den der ersten Stirnseite und der zweiten Stirnseite des Verstellkolbens zugewandten Ende der Außenwandung jeweils einen Zylinder-Abstreifer aufweisen. Zur Fixierung der Position der Zylinder-Abstreifer am Verstellkolben sind dieser bevorzugt in einer umlaufenden Kolbennut an der Außenwandung des Verstellkolbens fest positioniert.
Für einen einfachen Aufbau der längenverstellbaren Pleuelstange kann das erste Pleuelteil mit dem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden sein und das zweite Pleuelteil die Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweisen.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit mit einer Dichtungseinrichtung für eine längenverstellbaren Pleuelstange eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit verstellbar sind, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben mit einer Kolbenstange, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und die zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung, wobei die Kolbenstange sich durch eine Stangenbohrung in der Zylinder-Kolben-Einheit hindurch in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors erstreckt und ein in der Stangenbohrung angeordneter Stangen-Abstreifer bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange in die Zylinder-Kolben-Einheit Motoröl von der Kolbenstange abstreift. Der Einsatz einer mittels Motoröl des Verbrennungsmotors hydraulisch verstellbaren Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange ermöglicht trotz der sehr kleinen Abmessungen der Zylinder-Kolben-Einheit und des extrem hohen Systemdrucks eine gezielte Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Verbrennungsmotor und entsprechend eine Reduzierung des Verbrauchs im Teillastbereich. Dabei erfolgt die Aktuierung der Zylinder-Kolben-Einheit mittels der an den Pleuelteilen angreifenden Gas- und Massenkräfte des Verbrennungsmotors, während die Position der Pleuelteile durch das in dem mindestens einen Druckraum vorhandene Motoröl arretiert wird. Für eine sichere Funktion der Zylinder-Kolben-Einheit verhindert der radial mit der Kolbenstange in Gleitkontakt stehende Stangen-Abstreifer ein Eindringen von Motoröl aus dem Kurbelgehäuse in die Zylinder-Kolben-Einheit. Das Abstreifen des Motoröls von der Kolbenstange durch den Stangen-Abstreifer verhindert entsprechend das Eindringen von Partikeln aus dem Motoröl, das im Bereich des Kurbelgehäuses stark verunreinigt ist, in die Zylinderbohrung, so dass der Antrieb der Zylinder-Kolben-Einheit, der über eine separate Ölversorgung mit gegebenenfalls gefiltertem oder gereinigtem Motoröl versorgt wird, nicht über den Spalt zwischen Kolbenstange und Stangenbohrung verunreinigt wird. Dadurch wird ein Eindringen von Partikeln in den Bereich der Dichtungseinrichtung der Zylinder-Kolben-Einheit verhindert und ein entsprechender Verschleiß, Beschädigung und Ausfall der Dichtungseinrichtung vermieden.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Hubkolben und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder und einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet, erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Verbrennungsmotors kann beträchtlich sein und bis zu 20 % betragen, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Zweckmäßigerweise kann die Zylinder-Kolben-Einheit der längenverstellbaren Pleuelstange an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors angeschlossen sein. Damit können die im Motorölkreislauf vorhandenen Drücke bei der Verstellung und Arretierung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit zur Anwendung kommen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Motoröl Rußpartikel und Späne vorhanden sind, die mittels des Stangen-Abstreifer von der Dichtungseinrichtung ferngehalten werden. Darüber hinaus kann auch der Verstellmechanismus der längenverstellbaren Pleuelstange mittels des unter Druck stehenden Motoröls angesteuert werden.
Eine weitere Modifikation sieht vor, das der Systemdruck des Motoröls im Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit zwischen 1000 bar und 3000 bar, bevorzugt zwischen 2000 bar und 3000 bar, beträgt. Die Begrenzung des Systemdrucks ermöglicht die sichere konstruktive Auslegung des Innendurchmessers der Zylinderbohrung und der Wandstärke des Zylinders, und ermöglicht damit eine sichere konstruktive Auslegung der erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange.
Gemäß einer Weiterbildung können ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette, einer Spann- und/oder Führungsschiene, und/oder einem Kettenspanner vorgesehen sein, der die Kurbelwelle mit der mindestens einen Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbindet. Der Steuertrieb ist insofern wichtig, weil dieser maßgeblichen Einfluss auf die dynamische Belastung des Verbrennungsmotors und somit auch auf die längenverstellbare Pleuelstange haben kann. Bevorzugt wird dieser so ausgestaltet, dass keine zu hohen dynamischen Kräfte über den Steuertrieb eingeleitet werden. Alternativ kann ein solcher Steuertrieb auch mit einer Stirnradverzahnung oder einem Antriebsriemen, beispielsweise einem Zahnriemen ausgebildet sein, der mittels einer Spannvorrichtung mit Spannrolle vorgespannt.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor,
2 eine schematische Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange aus 1 in teilweiser geschnittener Darstellung,
3 eine vergrößerte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Einheit aus 2, und
4 eine vergrößerte Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Einheit aus 2.

In 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1, 6,2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1, 6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1, 8.2, und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden. Dabei ist den Begriffen kleines Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 und großes Pleuelauge 8.1, 8.2 und 8.3 weder eine absolute noch relative Größenzuordnung zu entnehmen, sondern sie dienen lediglich zur Unterscheidung der Bauteile und Zuordnung zu dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor. Entsprechend können die Abmessungen der Durchmesser der kleinen Pleuelaugen 9.1, 9.2 und 9.3 kleiner, gleich groß oder größer als die Abmessungen der Durchmesser der großen Pleuelaugen 8.1, 8.2, und 8.3 sein.
Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1, 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt. Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg H_K vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1, 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg H_K . Die verbleibende Höhe H_C (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2 oder 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg H_K das Hubvolumen V_h und aus der verbleibenden Kompressionshöhe H_C errechnet sich das Kompressionsvolumen V_c . Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen V_c maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen V_h und V_c ergibt sich das Verdichtungsverhältnis ε. Im Detail errechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε aus der Summe des Hubvolumens V_h und des Kompressionsvolumens V_c dividiert durch das Kompressionsvolumen V_c . Heute übliche Werte für Ottomotoren liegen für ε zwischen 10 und 14.
Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (n, T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind erfindungsgemäß die Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.
In 2 ist beispielhaft die längenverstellbare Pleuelstange 6.1 dargestellt, die identisch zu den Pleuelstangen 6.2 und 6.3 ausgestaltet ist. Die Beschreibung gilt daher entsprechend. Die Pleuelstange 6.1 weist einen Pleuelstangenkopf 17.1 mit dem besagten kleinen Pleuelauge 9.1, einem ersten Pleuelteil 18.1, das teleskopierbar in einem zweiten Pleuelteil 19.1 geführt ist, auf. Die relative Bewegung des ersten Pleuelteils 18.1 in Längsrichtung zum zweiten Pleuelteil 19.1 erfolgt mittels einer Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 mit einem Verstellkolben 21.1. und einer Zylinderbohrung 22.1 sowie einer Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen dem Verstellkolben 21.1 und der Zylinderbohrung 22.1. Am zweiten Pleuelteil 19.1 ist eine untere Lagerschale 19b.1 angeordnet, die zusammen mit dem unteren Bereich des zweiten Pleuelteils 19.1 das große Pleuelauge 8.1 umgibt. Die untere Lagerschale 19b.1 und das zweite Pleuelteil 19.1 werden in üblicher Weise mittels Befestigungsmitteln miteinander verbunden. Das untere Ende des ersten Pleuelteils 18.1 ist mit dem Verstellkolben 21.1 verbunden, der in der Zylinderbohrung 22.1 des zweiten Pleuelteils 19.1 verschiebbar geführt ist. Am oberen Ende weist das zweite Pleuelteil 19.1 einen Deckel 19a.1 auf, durch den das erste Pleuelteil 18.1 hindurch geführt und abgedichtet ist. Somit dichtet der Deckel 19a.1 insgesamt die Zylinderbohrung 22.1 ab. Der Verstellkolben 21.1 ist als Stufenkolben ausgestaltet. Unterhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein erster Druckraum 24.1 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und oberhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein kreisringförmiger zweiter Druckraum 25.1 ausgebildet. Der Verstellkolben 21.1 und die Zylinderbohrung 22.1 sind Bestandteil eines Verstellmechanismus zur Veränderung der Pleuelstangenlänge. Zu dem Verstellmechanismus gehört auch eine unten näher beschriebene hydraulische Schaltung 26.1, die entsprechend für einen Zu- bzw. Ablauf des Hydraulikfluids in bzw. aus den Druckräumen 24.1 und 25.1 und somit für eine Fixierung des mittels der an der Pleuelstange 6.1 wirkenden Kräfte aktuierten Verstellkolbens 21.1 sorgt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt des zweiten Pleuelteils 19.1 im Bereich der Druckräume 24.1 und 25.1 sowie des Verstellkolbens 21.1 im Querschnitt kreisringförmig (mit Ausnahme eventuell vorhandener Hydraulikfluidleitungen) ausgestaltet. Andere geometrische Abmessungen sind denkbar. Entsprechend ergibt sich hier die Wandstärke D_W aus dem zugehörigen Außenradius r_a des oberen Abschnitts des zweiten Pleuelteils 19.1 abzüglich des Innenradius r_i der Zylinderbohrung 22.1. Bei einer solchen symmetrischen Ausgestaltung ist die Wandstärke D_W über den Umfang des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig dick und die Spannungen im Werkstoff des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig gering, so dass aufgrund eines relativ großen Kolbendurchmessers für den Verstellkolben 21.1 der in der Pleuelstange 6.1 auftretende maximale Systemdruck in beherrschbaren Grenzen bleibt.
Der Verstellkolben 21.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 in 2 ist als Stufenkolben ausgebildet. Unter einem Stufenkolben wird im Allgemeinen ein zweiseitig wirkender Kolben mit unterschiedlich großen Wirkflächen verstanden. Eine erste Stirnseite 27.1 ist kreisförmig ausgestaltet und dem ersten Druckraum 24.1 zugeordnet. Eine zweite Stirnseite 28.1 ist kreisringförmig ausgestaltet und dem zweiten Druckraum 25.1 zugeordnet. Von der zweiten Stirnseite 28.1 aus erstreckt sich die Kolbenstange 18a.1, die den Pleuelstangelkopf 17.1 des ersten Pleuelteils 18.1 mit dem Verstellkolben 21.1 verbindet. Dabei erstreckt sich die Kolbenstange 18a.1 durch eine entsprechende Stangenbohrung 36.1 in dem Deckel 19a.1 des zweiten Pleuelteils 19.1. In der Stangenbohrung 36.1 ist an dem dem Kurbelgehäuse zugewandten äußeren Ende der Stangenbohrung 36.1 ein Ölabstreifer 33.1 vorgesehen, der die Zylinderbohrung 22.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 gegen einen Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem höher schmutzbelasteten Motoröl im Kurbelgehäuse verhindert. Dieser Ölabstreifer 33.1 ist dabei als Stangen-Abstreifer 34.1 ausgebildet, der in einer Bohrungsnut 35.1 am äußeren Ende der Stangenbohrung 36.1 angeordnet ist und mit der Dichtungslippe 34a.1 des Stangen-Abstreifers 34.1 an der Kolbenstange 18a.1 radial umlaufend anliegt und bei einer Bewegung der Kolbenstange 18a.1 in der Stangenbohrung 36.1 lediglich den Eintrag eines hauchdünnen Films von sauberem Motoröl in den als Spaltdichtung 37.1 ausgebildeten Zwischenraum zwischen der Stangenbohrung 36.1 und der Kolbenstange 18a. zulässt.
Im Folgenden wird anhand der 2 die in der Pleuelstange 6.1 verwendete hydraulische Schaltung 26.1 näher erläutert. Die hydraulische Schaltung 26.1 wird mit Motoröl betrieben, wobei ein Ölversorgungskanal 29.1 direkt mit dem großen Pleuelauge 8.1 in Verbindung steht, durch den Motoröl der hydraulischen Schaltung 26.1 zugeführt werden kann oder gegebenenfalls aus dieser abfließt. Im Anschluss an den Ölversorgungskanal 29.1 ist eine Rückströmdrossel 30.1 mit einem Rückschlagventil und einer parallel dazu geschalteten Drossel vorgesehen. Von der Rückströmdrossel 30.1 aus gelangt das Motoröl über den Kanal 31.1 zu einem Steuerventil 32.1. Das Steuerventil 32.1 umfasst einen Stellkolben 32a.1, der gegen eine Druckfeder 32b.1 verschiebbar geführt ist.
Aus dem ersten Druckraum 24.1 führt ein Rücklaufkanal 40.1 zum Steuerventil 32.1. Ein durch ein Rückschlagventil 41.1 absperrbarer Ölkanal 42.1 steht ebenfalls mit dem Steuerventil 32.1 in Verbindung und führt zum ersten Druckraum 24.1. Der erste Rücklaufkanal 40.1 ist in der in 2 gezeigten Stellung des Stellkolbens 32a.1 verschlossen. Öl aus dem ersten Druckraum 24.1 kann aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 41.1 nicht entweichen. Der Verstellkolben 21.1 fährt oder ist in der finalen ausgefahrenen oberen Stellung und ist dort hydraulisch gesperrt. Hierdurch befindet sich die Pleuelstange 6.1 in ihrer längeren Stellung. Aus dem zweiten Druckraum 25.1 führt eine Rücklaufleitung 43.1 zum Steuerventil 32.1. In der in 2 dargestellten Stellung des Steuerventils 32.1 kann Motoröl aus dem zweiten Druckraum 25.1 über die Rücklaufleitung 43.1 und das Steuerventil 32.1 sowie den Auslass 44.1 ins Kurbelgehäuse abfließen. In dem ebenfalls aus dem zweiten Druckraum 25.1 zum Steuerventil 32.1 abgehenden Ölkanal 45.1 ist ein weiteres Rückschlagventil 46.1 angeordnet.
Wird aber nunmehr der Druck des in die hydraulische Schaltung 26.1 einströmenden Motoröls über die Ölpumpe des Verbrennungsmotors erhöht, kommt es zu einem Verschieben des Stellkolbens 32a.1 im Steuerventil 32.1 entgegen der Kraft der Druckfeder 32b.1. Hierdurch wird der erste Rücklaufkanal 40.1 geöffnet und das Motoröl kann aus dem ersten Druckraum 24.1 über den Kanal 31.1 und die Rückstromdrossel 30.1 abfließen. Hierdurch sinkt der Verstellkolben 21.1 ab. Gleichzeitig wird die Rücklaufleitung 43.1 geschlossen und über den Ölkanal 45.1 und das Rückschlagventil 46.1 der zweite Druckraum 25.1 mit Motoröl gefüllt. Sobald der Verstellkolben 21.1 am unteren Anschlag anliegt, ist der Verstellkolben 21.1 in dieser Stellung hydraulisch arretiert, solange ein ausreichender Druck am Steuerventil 32.1 anliegt, und die Pleuelstange 6.1 nimmt ihre kurze Stellung ein. Diese eingefahrene Stellung ist vorteilhaft bei Volllast, wohingegen die ausgefahrene Stellung entsprechend 2 für den Teil- und Niedriglastbetrieb vorteilhaft ist. Hinsichtlich der weiteren Wirkungs- und Funktionsweise wird ergänzend auf die WO 2015/055582 A2 verwiesen, die den hier gezeigten Verstellmechanismus und Varianten hierzu im Detail beschreibt, die ebenfalls Anwendung finden können.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 aus 2 mit einem zweistufigen Verstellkolben 21.1, der in einer Zylinderbohrung 22.1 längsbeweglich verschiebbar ist und an der zweiten Stirnseite 28.1 eine Kolbenstange 18a.1 aufweist, die sich durch eine Stangenbohrung 36.1 in dem Deckel 19a.1 des zweiten Pleuelteils 19.1 erstreckt. Zwischen der Stangenbohrung 36.1 und der Kolbenstange 18a.1 ist eine Spaltdichtung 37.1 ausgebildet, die das im zweiten Druckraum 25.1 vorhandene Motoröl daran hindert, durch den Spalt zwischen Kolbenstange 18a.1 und Stangenbohrung 36.1 hindurchzuströmen. Die Spaltdichtung 37.1 minimiert bei einer Zugbeaufschlagung durch die längenverstellbaren Pleuelstangen 6.1 ein Einfahren des Verstellkolbens 21.1 in die zweite Druckkammer 25.1. Da der Stangen-Abstreifer 34.1 einen Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl in den Spalt der Spaltdichtung 37.1 verhindert, kann für die Spaltdichtung 37.1 zwischen Stangenbohrung 36.1 und Kolbenstange 18a.1 ein geringes Spaltmaß von weniger als 30 µm eingesetzt werden.
Der an dem äußeren Ende der Stangenbohrung 36.1 vorgesehene Stangen-Abstreifer 34.1 verhindert darüber hinaus einen Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem belasteten Motoröl im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 in die Zylinderbohrung 22.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1. Die sich radial enganliegend um die Kolbenstange 18a.1 herum erstreckende Abstreiflippe 34a.1 des Stangen-Abstreifers 34.1 verhindert bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange 18a.1 in die Stangenbohrung 36.1 und dann in die Zylinderbohrung 22.1 nicht nur den Eintrag von Schmutzpartikeln, sondern bis auf einen dünnen Ölfilm auf der Kolbenstange 18a.1 auch eine signifikante Zuführung von Motoröl. Entsprechend erfolgt die Versorgung des ersten Druckraums 24.1 und des zweiten Druckraums 35.1 mit Motoröl nahezu vollständig über die hydraulische Schaltung 23.1 und den Ölversorgungskanal 29.1 direkt aus dem großen Pleuelauge 8.1. Das über das große Pleuelauge 8.1 und den Ölversorgungskanal 29.1 der Zylinderbohrung 22.1 zugeführte Motoröl kann mithilfe von Filtern und Reinigungseinrichtungen eine deutlich geringere Schadstoffbelastung und einen deutlich geringeren Partikeldurchmesser der noch enthaltenen Schadstoffpartikel aufweisen, sodass zwischen dem Verstellkolben 21.1 und der Zylinderbohrung 22.1 eine Spaltdichtung 49.1 mit einem äußerst geringen Spaltmaß S eingesetzt werden kann. Während das Spaltmaß S bei einem typischen Verstellkolben 21.1 einer Zylinder-Kolben-Einheit 21.1 für eine teleskopierbare Pleuelstange 6.1 mit einem Durchmesser zwischen 12 und 20 mm mindestens 30 µm beträgt, kann das Spaltmaß S der Spaltdichtung 49.1 zwischen Verstellkolben 21.1 und Zylinderbohrung 22.1 einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 zumindest auf unter 20 µm, bevorzugt auf unter 10 µm, begrenzt werden. Ein derart geringes Spaltmaß S der Spaltdichtung 49.1 verhindert nahezu vollständig, dass das im ersten Druckraum 24.1 bzw. dem zweiten Druckraum 25.1 vorhandene Motoröl durch die Spaltdichtung 49.1 hindurchströmt und verhindert so insbesondere bei einer ausgefahrenen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 ein Absinken des Verstellkolbens 21.1 in den ersten Druckraum 24.1 bei einer Druckbeaufschlagung durch die längenverstellbare Pleuelstange 6.1.
Eine weitere Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 zeigt die vergrößerte Schnittansicht in 4. Auch in dieser Ausführungsform ist der Verstellkolben 21.1 wieder als bidirektional wirkender Verstellkolben 21.1 ausgebildet, der sowohl an der ersten Stirnseite 27.1 als auch an der zweiten Stirnseite 28.1 Zylinder-Abstreifern 47.1 aufweist. Anstatt einer Spaltdichtung 37.1 zwischen der Kolbenstange 18a.1 und der Stangenbohrung 36.1 in 3 ist hier mindestens eine Stangendichtung 37a.1 vorgesehen, die in einer Bohrungsnut 35.1 der Stangenbohrung 36.1 positioniert ist und im Gleitkontakt mit der Kolbenstange 18a.1 steht. Die Zylinder-Abstreifer 47.1 sind jeweils in einer Kolbennut 48.1 angeordnet, die jeweils an den dem ersten Druckraum 24.1 und dem zweiten Druckraum 25.1 zugewandten Enden der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 angeordnet sind. Die Zylinder-Abstreifer 47.1 verhindern mit der Abstreiflippe 47a.1, die radial umlaufend an der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung anliegt, einen Eintrag von Partikeln aus dem Motoröl in die Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen Verstellkolben 21.1 und Zylinderbohrung 22.1. Dabei kann die Dichtungseinrichtung 23.1 sowohl als Spaltdichtung 49.1 (auf der linken Seite dargestellt), als einzelne Kolbendichtung 49a.1 (nicht gezeigt), oder als mehrere Kolbendichtungen 49a.1 (auf der rechten Seite dargestellt) ausgebildet sein, wobei die Kolbendichtungen 49a.1 in entsprechenden zueinander beabstandeten Kolbennuten 48.1 angeordnet sein können. Die an den stirnseitigen Enden der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 angeordneten Zylinder-Abstreifer 47.1 schützen die Dichtungseinrichtung 23.1 vor vorzeitigem Verschleiß, Beschädigung und Ausfall durch den Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl im ersten Druckraum 24.1 oder im zweiten Druckraum 25.1
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2.1,2.2,2.3: Zylinder
3.1,3.2,3.3: Hubkolben
4: Kurbelwelle
5.1,5.2,5.3,5.4: Kurbelwellenlager
6.1,6.2,6.3: Pleuelstange
7.1,7.2,7.3: Kurbelwellenzapfen
8.1,8.2,8.3: großes Pleuelauge
9.1,9.2,9.3: kleine Pleuelauge
10.1,10.2,10.3: Kolbenbolzen
11: Kurbelwellenketterad
12: Steuerkette
13: Nockenwellenkettenrad
14: Nockenwelle
15: Spannschiene
16: Kettenspanner
17.1: Pleuelstangenkopf
18.1: erstes Pleuelteil
18a.1: Kolbenstange
19.1: zweites Pleuelteil
19a.1: Deckel
19b.1: Lagerschale
20.1: Zylinder-Kolben-Einheit
21.1: Verstellkolben
22.1: Zylinderbohrung
23.1: Dichtungseinrichtung
24.1: erster Druckraum
25.1: zweiter Druckraum
26.1: hydraulische Schaltung
27.1: erste Stirnseite
28.1: zweite Stirnseite
29.1: Ölversorgungskanal
30.1: Rückströmdrossel
31.1: Kanal
32.1: Steuerventil
32a.1: Stellkolben
32b.1: Druckfeder
33.1: Ölabstreifer
34.1: Stangen-Abstreifer
34a.1: Abstreiflippe
35.1: Bohrungsnut
36.1: Stangenbohrung
37.1: Spaltdichtung
37a.1: Stangendichtung
38.1: Innenwandung
39.1: Außenwandung
40.1: Rücklaufkanal
41.1: Rückschlagventil
42.1: Ölkanal
43.1: Rücklaufleitung
44.1: Auslass
45.1: Ölkanal
46.1: Rückschlagventil
47.1: Zylinder-Abstreifer
47a.1: Abstreiflippe
48.1: Kolbennut
49.1: Spaltdichtung
49a.1: Kolbendichtung
D_w: Wandstärke
V_h: Hubvolumen
V_c: Kompressionsvolumen
H_C: Kompressionshöhe
H_K: Hubweg
r_i: Innendurchmesser
r_a: Außendurchmesser
S: Spaltmaß
ε: Verdichtungsverhältnis
n: Drehzahl
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2217721 [0005]
EP 1426584 A1 [0006]
DE 102005055199 A1 [0006, 0024]
WO 2013/092364 A1 [0007]
WO 2015/055582 A2 [0007, 0008, 0039]

Claims

Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil (18.1) und einem zweiten Pleuelteil (19.1), das erste Pleuelteil (18.1) weist ein kleines Pleuelauge (9.1) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1) und das zweite Pleuelteil (19.1) weist ein großes Pleuelauge (8.1) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1) auf, wobei das erste Pleuelteil (18.1) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1) bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem großen Pleuelauge (8.1) und dem kleinen Pleuelauge (9.1) zu verstellen, und mit mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1), um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) umfasst eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1) mit einer Kolbenstange (18a.1), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1) zur Aufnahme von Motoröl des Verbrennungsmotors, der erste Druckraum (24.1) ist einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1) begrenzt, und einer zwischen einer Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und einer Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1), wobei die Kolbenstange (18a.1) sich durch eine Stangenbohrung (36.1) in der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) hindurch in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mindestens einen Stangen-Abstreifer (34.1) aufweist, wobei der Stangen-Abstreifer (34.1) in der Stangenbohrung (36.1) angeordnet ist und mit der Kolbenstange (18a.1) in Gleitkontakt steht, um bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange (18a.1) in die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) Motoröl von der Kolbenstange (18a.1) abzustreifen.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem in Richtung des Kurbelgehäuses liegenden Ende der Stangenbohrung (36.1) eine umlaufende Bohrungsnut (35.1) vorgesehen ist und der Stangen-Abstreifer (34.1) in der Bohrungsnut (35.1) angeordnet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stangenbohrung (36.1) mindestens eine Stangendichtung (37a.1), bevorzugt mindestens zwei Stangendichtungen (37a.1), vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Stangendichtung (37a.1) in einer umlaufenden Bohrungsnut (35.1) in der Stangenbohrung (36.1) angeordnet ist und mit der Kolbenstange (18a.1) in Gleitkontakt steht.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kolbenstange (18a.1) und der Stangenbohrung (36.1) eine Spaltdichtung (37.1), vorgesehen ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) einen Zylinder-Abstreifer (47.1) umfasst, wobei der Zylinder-Abstreifer (47.1) an einem dem ersten Druckraum (24.1) zugewandten Ende der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) angeordnet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) als Spaltdichtung (49.1) ausgebildet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (49.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) ein Spaltmaß (S) von höchstens 20 µm, bevorzugt von höchstens 10 µm, aufweist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) mindestens eine Kolbendichtung (49a.1), bevorzugt mehrere Kolbendichtungen (49a.1) umfasst, wobei jede Kolbendichtung (49a.1) in einer separaten an der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) umlaufenden Kolbennut (48.1) angeordnet ist und mit der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) in Gleitkontakt steht.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) als zweiseitig wirkender Verstellkolben (21.1) ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordnete Verstellkolben (21.1) weiter einen zweiten Druckraum (25.1) zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und einseitig begrenzt, wobei an einem dem zweiten Druckraum (25.1) zugewandten Ende der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) ein weiterer Zylinder-Abstreifer (47.1) angeordnet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pleuelteil (18.1) mit dem Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) verbunden ist und das zweite Pleuelteil (19.1) die Zylinderbohrung (22.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) aufweist.
Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mit einer Dichtungseinrichtung (23.1) für eine längenverstellbare Pleuelstange (6.1) eines Verbrennungsmotors (1) mit einem ersten Pleuelteil (18.1) und einem zweiten Pleuelteil (19.1), die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) verstellbar sind, um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) umfasst eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1) mit einer Kolbenstange (18a.1), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1) und die zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1), wobei die Kolbenstange (18a.1) sich durch eine Stangenbohrung (36.1) in der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) hindurch in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mindestens einen Stangen-Abstreifer (34.1) aufweist, wobei der Stangen-Abstreifer (34.1) in der Stangenbohrung (36.1) angeordnet ist und mit der Kolbenstange (18a.1) in Gleitkontakt steht, um bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange (18a.1) in die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) Motoröl von der Kolbenstange (18a.1) abzustreifen.
Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (3.1,3.2,3.3) und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder (2.1,2.2,2.3) und einer mit dem Hubkolben (3.1,3.2,3.3) verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) (6.1,6.2,6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1,6.2,6.3) an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck des Motoröls im ersten Druckraum (24.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) zwischen 1.000 bar und 3.000 bar, bevorzugt zwischen 2.000 bar und 2.500 bar, beträgt.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette (12), einer Spann- und/oder Führungsschiene (15), und/oder einem Kettenspanner (16) vorgesehen ist, der die Kurbelwelle (4) mit der mindestens einen Nockenwelle (14) des Verbrennungsmotors (1) verbindet.