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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge zweistufig verstellbar ist, mit einem in einem Pleuelauge des Pleuels drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Mit dem Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ε ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses können der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert und somit insgesamt der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen nimmt allerdings mit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zu. Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches.
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Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
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Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
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Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, mit denen die effektive Länge des Pleuels verstellt wird. Es handelt sich dabei um Vorrichtungen, mit denen der Abstand zwischen einem auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle angeordneten Pleuellagerauge des Pleuels und einem in einem Pleuelauge des Pleuels angeordneten Kolbenbolzenlager und somit die effektive Länge des Pleuels verändert wird. Dabei kann die Verstellung an dem das Kolbenbolzenlager aufnehmenden Pleuelauge oder an dem am Kurbelzapfen gellagerten Pleuellagerauge erfolgen, wodurch sich jeweils die Lage des Kolbens gegenüber dem Kurbelzapfen verändert.
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Eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 102 55 299 A1 bekannt. Danach ist der Exzenterkörper als Exzenterring ausgebildet, dessen Schwenkbereich durch zwei Endanschläge begrenzt ist. Weiterhin sind als Verriegelungsmittel bezeichnete Sperrmittel vorgesehen, über die der Exzenterring in jeweils einer seiner durch den entsprechenden Endanschlag definierten Position fixiert wird. Ausgelöst wird die jeweilige Verdrehung des Exzenterringes durch die Einwirkung von Massen- und Gaskräfte der Zylindereinheit, wobei sich deren Wirkrichtungen während des Arbeitsverfahrens derselben ständig ändern.
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Die Sperrmittel sind dabei als zwei am Pleuel schwenkbar gelagerte, über Andruckfedern in Richtung des Exzenterringes vorgespannte Sperrklinken ausgebildet. Jede der Sperrklinken ist über einen Lagerzapfen drehfest mit einem Übertragungshebel verbunden, wobei zwischen den beiden Übertragungshebeln ein doppelarmiger Stellhebel angeordnet ist und in seinen beiden verschwenkten Stellungen jeweils einen der beiden Übertragungshebel betätigt. Ein axial vorspringender Nocken des Stellhebels wirkt im unteren Totpunkt des Pleuels Steuerflächen einer Schaltkulisse zusammen. Eine Drehbewegung des Exzenterkörpers unter den Massen- und Gaskräften der Zylindereinheit und folglich ein Verschwenken des Exzenterhebels in eine der beiden Richtungen wird folglich dadurch ermöglicht, dass die Schaltkulisse den Stellhebel derart betätigt, dass dieser die entsprechende Sperrklinke in ihre freigeschaltete Position bewegt.
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Weiterhin geht aus der
DE 10 2013 225 063 A1 eine Pleuelstange mit variabler Länge hervor, bei der ein Exzenterkörper mit einer Außenverzahnung versehen ist, in die eine Verzahnung eines am Pleuel gelagerten Zahnrades eingreift, die wiederum mit einer im Pleuel längsverschiebbar geführten Zahnstange kämmt. Dabei soll die Zahnstange über einen doppelt wirkenden Zylinder, also hydraulisch verschoben werden, um den Exzenterkörper zur Erzielung der Längenänderungen des Pleuels in seine Endstellungen zu verdrehen. Druckmittel zur Verschiebung und Festlegung der Zahnstange wird den Druckräumen des doppelt wirkenden Zylinders aus einem Pleuellager, das zur Lagerung des Pleuels auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle dient, über ein Wegeventil zugeführt. Dieses Wegeventil, das auch den doppelt wirkenden Zylinder arretieren soll, wird über ein gabelförmiges Element verschoben. Weitere Pleuelstangen mit variabler Länge offenbaren
JP S59 - 40 537 U sowie
AT 515 419 A4 .
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Die
DE 10 2005 055 199 A1 zeigt eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis. Offenbart ist ein Exzenterkörper, der drehfest mit einem Schwenkhebel verbunden ist. Eine derartige Vorrichtung ist auch in der
DE 10 2014 216 533 A1 gezeigt. Die
DE 10 2014 216 533 A1 offenbart darüber hinaus, dass ein Freilauf im unteren, dem Hubzapfen der Kurbelwelle zugeordneten Pleuelauge angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines mechanisch betätigten Sperrmittels für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, das sich in vorteilhafter Weise in das Pleuel integrieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach ist bei einer Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein ein Kolbenbolzenlager aufnehmender Exzenterkörper in einem kolbenseitigen Pleuelauge drehbar angeordnet. In dem Kolbenbolzenlager ist ein Kolbenbolzen gelagert, der andererseits im Arbeitskolben der Zylindereinheit fixiert ist. Eine Verdrehung des Exzenterkörpers in gegenläufigen Drehrichtungen ist jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt. Dabei kann der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition verstellt werden, wobei sich durch die Längenänderung gezielt das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit ändern lässt. Der Exzenterkörper ist über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition, also der für das geänderte Verdichtungsverhältnis eingestellten Position verriegelbar. Dabei ist das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß soll dabei der Exzenterkörper drehfest mit zumindest einem Schwenkhebel verbunden sein, der mit einer längsverschiebbar im Pleuel geführten Zahnstange zusammenwirkt, wobei die Zahnstange mit den Endanschlägen zusammenwirkt und zur Bildung des Sperrmittels mit einem Zahnrad im Eingriff ist, das über die Schaltkulisse wahlweise in einen drehfest mit dem Pleuel kuppelbaren oder gegenüber diesem frei drehbaren Zustand verstellbar ist. Folglich kann die Drehbewegung des Zahnrades über ein form- oder kraftschlüssiges Kuppelelement, das dieses am Pleuel festlegt, gesperrt werden. Das Kuppelelement kann dabei über einen mechanischen Aktuator, der, vorzugsweise parallel zu einer Längsmittelachse eines Pleuellagerauges verlaufend, in einer Aufnahmebohrung des Pleuels verschiebbar angeordnet ist, betätigbar sein. Wenn der Aktuator in die dem Pleuellagerauge benachbarte Aufnahmebohrung eingesetzt ist, verläuft dieser somit parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagers und kann im Bereich des unteren Totpunktes des Arbeitskolbens während der Kurbelbewegung, durch die im Kurbelgehäuse, bevorzugt im Bereich der Ölwanne, verschiebbar geführte Schaltkulisse betätigt werden. Die jeweilige Betätigung des Aktuators kann eventuell auch noch in einem Drehwinkelbereich nach dem Durchlaufen des unteren Totpunktes erfolgen. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Aktuator dem Pleuelauge benachbart ist, soll die Schaltkulisse nicht bis in die Zylinderlaufbuchse ragen.
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Dabei soll weiterhin der Exzenterkörper drehfest mit zumindest einem Schwenkhebel verbunden sein, der mit einer längsverschiebbar im Pleuel geführten Zahnstange zusammenwirkt. Hierbei ist für den Schwenkhebel ein Hebelverhältnis von größer 1:10 vorgesehen, um gemeinsam mit der Zahnstange die Lasten auf das Kuppelelement, beispielsweise den nachfolgend erläuterten Freilauf derart zu verringern, dass seine Funktion gewährleistet werden kann. Die Zahnstange wirkt außerdem mit den Endanschlägen zusammen, so dass eine exakte Positionierung des Exzenterkörpers in den Stellungen εHigh bzw. εLow erzielt werden kann.
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Die erfindungsgemäße mechanisch wirkende Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine weist gegenüber hydraulischen Vorrichtungen den wesentlichen Vorteil auf, dass der Schmierung des Pleuellagers kein Schmieröl als Druckmittel entnommen werden muss. Außerdem kann auf ein hydraulisches Steuersystem, dessen Funktion aufgrund von Druckpulsationen Funktionsstörungen aufweisen kann, verzichtet werden.
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Demgegenüber ist bei der Vorrichtung nach der
DE 102 55 299 A1 der Exzenterring mit in Umfangsrichtung wirkenden Flächen versehen, die mit Endanschlägen am Pleuel zusammenwirken. Neben diesen sind am Exzenterring Flächen vorgesehen, die ebenfalls in Umfangsrichtung weisen und an denen der Exzenterring direkt über eine der beiden Sperrklinken verriegelbar ist. Ein Schwenkhebel und eine mit einem Kuppelelement zusammenwirkende Zahnstange sind daher nicht vorgesehen. Bei der Anordnung nach der
DE 10 2013 225 063 A1 ist zwar eine Zahnstange vorgesehen, die aber im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung hydraulisch betätigt sein soll. Wenn, wie in dem Dokument angegeben, der Exzenterring über die Zahnstange verstellt werden soll, bewirkt folglich die lineare Bewegung des Zahnrades eine Rotation des im Pleuel gelagerten Zahnrades, die dann über die Außenverzahnung des Exzenterringes auf diesen übertragen wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das Sperrmittel zumindest ein Kuppelelement aufweisen, das über einen mechanischen Aktuator, welcher, vorzugsweise parallel zu einer Längsmittelachse eines Pleuellagerauges verlaufend, in einer Aufnahmebohrung des Pleuels verschiebbar angeordnet ist, betätigbar ist. Dabei können zwischen dem Aktuator und dem Kuppelelement mechanische Übertragungselemente mit schrägen Steuerflächen federnde Rückstellelemente vorgesehen werden. Der Aktuator kann einen zylindrischen Schieber mit Steuerkonturen aufweisen, die Längsbewegungen der Übertragungselemente in unterschiedlichen Richtungen bewirken.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß das Zahnrad über einen schaltbaren, bidirektional wirkenden Freilauf am Pleuel angeordnet sein, der durch die Schaltkulisse betätigbar ist. Der bidirektionale Freilauf kann in beiden Drehrichtungen sperrend wirken oder in einer Drehrichtung freigeschaltet werden, während die andere Drehrichtung gesperrt ist. In den beiden Endlagen der Zahnstange und somit des Exzenterkörpers erfolgt jeweils eine Arretierung einerseits durch den Endanschlag und andererseits durch den sperrenden Freilauf.
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Der Aktuator soll vorzugsweise im Bereich eines dem Pleuellagerauge benachbarten Endes eines Pleueloberteils des Pleuels angeordnet sein, so dass die Schaltkulisse unmittelbar benachbart dem Kurbelradius der Kurbelwangen der Kurbelwelle verläuft. Diese muss folglich nicht bis in den Bereich des oszillierend bewegten Arbeitskolben reichen. Eine Längsbewegung des Aktuators wird über ein mit Steuerflächen versehenes Gestänge auf eine Schalteinrichtung des Freilaufs übertragen, so dass der bidirektionale Freilauf in seine unterschiedlichen Sperr- und Freilaufstellungen verstellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung soll der bidirektional wirkende Freilauf als Klemmrollenfreilauf ausgebildet sein, wobei dieser einen mit paarweise gegenläufig wirkenden Klemmrampen versehenen Innen- oder Außenring aufweist, die jeweils ein aus zwei Klemmrollen bestehendes Klemmrollenpaar aufnehmen, wobei zwischen den Klemmrollen des Klemmrollenpaares jeweils ein Federelement angeordnet ist, das die Klemmrollen voneinander weg gegen Klemmflächen der Klemmrampen anfedert. Dabei greifen zwischen den einzelnen Klemmrollenpaaren jeweils Klauen ein, die über einen von der Steuerkulisse betätigten Aktuator in Umfangsrichtung des Klemmrollenfreilaufs verstellt werden. Vorzugsweise sind der Innenring drehfest mit dem Pleuel und der Außenring drehfest mit dem Zahnrad verbunden. Der Innenring kann die Form eines Innensterns mit tangential verlaufenden Klemmflächen, die gemeinsam mit einem zylindrischen Außenring Klemmspalte bilden, aufweisen. Der Freilauf kann auch als Klemmkörperfreilauf ausgebildet sein, wobei dieser als bidirektional wirkender Freilauf zwei Klemmkörperreihen aufweist, deren Käfige unterschiedlich verstellt werden.
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Weiterhin kann die Zahnstange in ihren beiden Bewegungsrichtungen mit einer Endlagendämpfung versehen sein. Diese kann gemäß einer Weiterbildung hydraulisch wirken. Zu diesem Zweck wird Schmieröl in die stirnseitig der Zahnstange vorgesehenen Räume geleitet und gedrosselt abgeführt. Dabei kann es sich um Spritzöl oder unter Druck stehendes Schmieröl aus dem Pleuellager handeln. Es kann natürlich auch eine mechanische Endlagendämpfung vorgesehen sein.
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Schließlich soll die vorgenannte Aufgabe auch bei einem Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, gelöst werden. Dabei ist das Pleuel mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper versehen, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist. Der Exzenterkörper ist über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar, wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist. Die Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels ist nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der Patentansprüche 1 sowie 10 mit den von diesen abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht eines Pleuels mit einer Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge des Pleuels, wobei die Vorrichtung einem Pleuelauge des Pleuels zugeordnet ist und eine mit einem Schwenkhebel zusammenwirkende Zahnstange sowie ein als Freilauf ausgebildetes Kuppelelement aufweist, wobei das Pleuel in ein niedriges Verdichtungsverhältnis εLow verstellt ist,
- 1A einen Teilabschnitt einer Schaltkulisse, die drehbar in einem Kurbelgehäuse angeordnet ist,
- 2 die Anordnung nach 1, wobei das Pleuel in ein hohes Verdichtungsverhältnis εHigh verstellt ist,
- 3 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus der Vorrichtung, wobei ein bidirektionaler Freilauf und eine Arretierung baulich voneinander getrennt sein sollen,
- 4 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus der Vorrichtung, wobei ein bidirektionaler Freilauf und eine Arretierung baulich eine Einheit bilden sollen,
- 5 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus der Vorrichtung, wobei ein bidirektionaler Freilauf und die Zahnstange baulich eine Einheit bilden sollen,
- 6 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen Pleuels,
- 7 einen Längsschnitt durch das Pleuel nach 6,
- 8 einen Querschnitt durch einen in dem Ausführungsbeispiel der 7 verwendeten bidirektionalen Freilauf,
- 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wobei das Kuppelelement zwei konzentrisch zueinander angeordnete bidirektionale Freiläufe aufweist,
- 10 einen vergrößerten Ausschnitt X aus der 9,
- 11 eine schematische Darstellung des funktionellen Zusammenwirkens eines Aktuators mit dem Freilauf, wobei das Pleuel in ein niedriges Verdichtungsverhältnis εLow verstellt ist, und
- 12 die schematische Darstellung nach der 11, wobei das Pleuel in ein hohes Verdichtungsverhältnis εHigh verstellt ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In den 1 und 2 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem zum Teil als Pleuelschaft 2 ausgebildeten Pleueloberteil 3 und einem Pleuelunterteil 4 besteht. Das Pleueloberteil 3 und das Pleuelunterteil 4 bilden gemeinsam ein Pleuellagergehäuse 5 mit einem Pleuellagerauge 5a, wobei das Pleuellagerauge 5a eine Längsmittelachse 6 aufweist und über dieses das Pleuel 1 auf einem in der 1 nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 3 mit einem Pleuelauge 7 versehen, in welchem über einen Exzenterkörper 8 und ein Kolbenbolzenlager 8a ein nicht näher dargestellter Kolbenbolzen angeordnet ist. Über den drehbar im Kolbenbolzenlager 8a geführten Kolbenbolzen ist ein ebenfalls nicht dargestellter Arbeitskolben einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Exzenterkörper 8 geführt, wobei eine Verdrehung des Exzenterkörpers 8 in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt. Der Exzenterkörper 8 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen sowie dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Gaskräfte, verstellt. Während des Arbeitsverfahrens der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich.
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Mit dem Exzenterkörper 8 ist ein Schwenkhebel 9 drehfest verbunden. Der Schwenkhebel 9 ist über ein erstes Gelenk 10 gelenkig mit einem Gestänge 11 verbunden, das wiederum über ein zweites. Gelenk 12 an einer Zahnstange 13 angelenkt ist. Wie weiterhin aus den 1 und 2 hervorgeht, weist das Pleuel 1 eine Führungsbohrung 14 auf, die sich unter einem Winkel zu einer Längsmittelachse des Pleuelschaft 2 erstreckt und an ihren Enden Endanschläge 14a und 14b für die Zahnstange 13 aufweist. Die Führungsbohrung 14 nimmt die längsbewegliche Zahnstange 13 auf und führt sie.
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Weiterhin ist innerhalb des Pleuelschafts 2 ein Koppelelement 15 angeordnet, das vorzugsweise als freischaltbarer Freilauf 16 ausgebildet sein soll. Gemäß 1 nimmt der Freilauf 16 eine Funktion ein, in der er eine Verdrehung eines an seiner Außenmantelfläche angeordneten Zahnrades 24, das mit einer Verzahnung 25 der Zahnstange 13 kämmt, entgegen dem im Uhrzeigersinn zulässt. Dem Pleuellagergehäuse 5 benachbart befindet sich ein Aktuator 17, der über eine in der 1A dargestellte Steuerkulisse 18 betätigbar ist. Dabei sind Schaltkulissen 19 und 20 auf einer Steuerwelle 21, die in einem nicht näher dargestellten Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine drehbar gelagert ist, angeordnet. Je nach verdrehter Stellung der Steuerwelle 21 greift eine der beiden Schaltkulissen 19 und 20 stirnseitig an dem Aktuator 17 an. Aus den 1 und 2 geht außerdem hervor, dass ein Schmierölsystem 50 der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine im Pleuellagerauge 5a angeordnetes Pleuellager mit Schmieröl versorgt.
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Aus den 3, 4 und 5 gehen der Aufbau und das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor. Danach erfolgt in allen Fällen eine externe Betätigung einer in einem Kurbelgehäuse angeordneten Schaltkulisse, die, wie bereits erläutert, mit einer Aktuierung über einen Aktuator zusammenwirkt. Dieser Aktuator betätigt einen bidirektionalen Freilauf und arretiert diesen in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen. Weiterhin geht aus den 3-5 hervor, dass die Gaskräfte und Massenkräfte auf den Arbeitskolben der jeweiligen Zylindereinheit wirken und damit eine Verdrehung des Exzenterkörpers in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses εHigh oder in Richtung eines geringen Verdichtungsverhältnisses εLow herbeiführen können.
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Der Exzenterkörper ist mit einem Schwenkhebel verbunden, wobei zur Erzielung einer verringerten Kraftübertragung auf ein Linearsystem ein Hebelverhältnis von ungefähr 1:10 vorgesehen sein soll. Das Linearsystem besteht aus einer Zahnstange, die mit Endanschlägen versehen ist, wobei den Endanschlägen jeweils Dämpfer zugeordnet sein können. Optional ist in allen Fällen eine Dämpfung vorgesehen, die mittels des aus einem Pleuellagerauge über eine Schmierbohrung zugeführten Schmieröls hydraulisch erfolgt. Dieses Schmieröl kann aber auch aus einer Spritzölversorgung, die innerhalb des Kurbelgehäuses vorgesehen ist, dem Dämpfer zugeführt werden. Nach der 3 ist außerdem vorgesehen, dass die Aktivierung der Schaltkulisse, die Arretierung und der bidirektionale Freilauf getrennt voneinander angeordnet sind. Nach der 4 bilden der bidirektionale Freilauf und die Arretierung eine Baueinheit. Schließlich ist nach der 5 der bidirektionale Freilauf baulich innerhalb des Linearsystems angeordnet.
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Die 6 und 7 zeigen das Pleuel 1 mit dem in diesem angeordneten Freilauf 16, der in diesem Fall, wie im Übrigen aus der 8 hervorgeht, einen drehfest mit dem Pleuel 1 verbundenen Innenstern 22 und einen Außenring 23 aufweist, wobei, wie die 7 zeigt, mit dem Außenring 23 ein Zahnrad 24 verbunden ist. Dieses Zahnrad 24 greift in eine Verzahnung 25 der Zahnstange 13 ein. Weiterhin weist der Freilauf 16 paarweise angeordnete Klemmrollen 26 und 27 auf, die gegeneinander durch ein Federelement 28 abgestützt und somit in Richtung von Klemmbahnen 29 und 30 vorgespannt sind. Zwischen den einzelnen Paaren von Klemmrollen sind im Innenstern 22 Ausnehmungen vorgesehen, in die jeweils Mitnehmer 31 eines Steuerrings 32 eingreifen. Diese Mitnehmer 31 weisen Stirnflächen 31a und 31b auf, die dazu dienen, bei einer Bewegung des Steuerringes 32 in den beiden Drehrichtungen jeweils die diesen zugewandte Klemmrolle 26 oder 27 aus der Klemmbahn zu lösen und somit den Außenring 23 in der entgegengesetzten Drehrichtung freizuschalten. Dabei wird gleichzeitig über das Federelement 28 die jeweils andere Klemmrolle 26 oder 27 gegen die Klemmbahn gedrückt und sperrt dabei den Freilauf 16 in dieser Drehrichtung. In der 8 wird mittels des Freilaufs 16 somit eine Drehbewegung des Außenrings 23 und folglich des auf diesem befestigten Zahnrades 24 in Gegenuhrzeigersinn ermöglicht, während im Uhrzeigersinn eine Sperrung erfolgt.
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Nach den 9 und 10 ist ein bidirektionaler Freilauf 33 vorgesehen, der konzentrisch zueinander angeordnete Klemmrollen 34, 35 sowie 36, 37 aufweist. In diesem Fall sind zwei drehfest miteinander verbundene Steuerringe 38 und 39 mit Mitnehmern 40 und 41 vorgesehen. Mit dem entsprechenden Zahnrad, das nicht dargestellt ist, ist in diesem Fall ein Zwischenring 42 verbunden, wobei der bidirektionale Freilauf 33 einen Innenstern 43 und einen Außenstern 44, die jeweils drehfest mit dem Pleuel 1 verbunden sind, aufweist. Weiterhin geht aus den 9 und 10 hervor, dass der Aktuator 17 mit einem Gestänge 45 zusammenwirkt, das die Steuerringe 38 und 39 in Drehrichtung betätigt und dort hält. Ein Vorspannelement 46 wirkt der Schubbewegung des Gestänges 45 entgegen, so dass jeweils eine Rückstellung der Steuerringe 38 und 39 erfolgen kann, wenn der Aktuator in seine andere Endlage bewegt wird.
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Eine derartige Anordnung ist im Übrigen den 11 und 12 zu entnehmen, wonach der jeweilige Aktuator 17, der um 90° verdreht dargestellt ist. eine schräge Steuerfläche 47 aufweist, mittels derer das Gestänge 45 betätigt wird. Nach der 11 befindet sich die Zahnstange 13 in ihrer Position für ein niedriges Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit εLow, wobei eine Stirnfläche der Zahnstange 13 mit einem Dämpfungselement 48 zusammenwirkt. Nach der 12 bewegt sich die Zahnstange 13 in Richtung ihrer anderen Endlage, in der sie mit einem Dämpfungselement 49 zusammenwirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleuelschaft
- 3
- Pleueloberteil
- 4
- Pleuelunterteil
- 5
- Pleuellagergehäuse
- 5a
- Pleuellagerauge
- 6
- Längsmittelachse von 5a
- 7
- Pleuelauge
- 8
- Exzenterkörper
- 8a
- Kolbenbolzenlager
- 9
- Schwenkhebel
- 10
- erstes Gelenk
- 11
- Gestänge
- 12
- zweites Gelenk
- 13
- Zahnstange
- 14
- Führungsbohrung
- 14a
- Endanschlag
- 14b
- Endanschlag
- 15
- Kuppelelement
- 16
- Freilauf
- 17
- Aktuator
- 18
- Steuerkulisse
- 19
- Schaltkulisse
- 20
- Schaltkulisse
- 21
- Steuerwelle
- 22
- Innenstern
- 23
- Außenring
- 24
- Zahnrad
- 25
- Verzahnung von 13
- 26
- Klemmrollen
- 27
- Klemmrollen
- 28
- Federelement
- 29
- Klemmbahn
- 30
- Klemmbahn
- 31
- Mitnehmer
- 31a
- Stirnfläche
- 31b
- Stirnfläche
- 32
- Steuerring
- 33
- bidirektionale Freilauf
- 34
- Klemmrollen
- 35
- Klemmrollen
- 36
- Klemmrollen
- 37
- Klemmrollen
- 38
- Steuerring
- 39
- Steuerraum
- 40
- Mitnehmer
- 41
- Mitnehmer
- 42
- Zwischenring
- 43
- Innenstern
- 44
- Außenstern
- 45
- Gestänge
- 46
- Vorspannelement
- 47
- schräge Steuerfläche
- 48
- Dämpfungselement
- 49
- Dämpfungselement50 Schmierölsystem
