DE102016124756B4 - Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels (1) während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge (7) drehbar angeordneten ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), der drehfest mit einem radial zu diesem verlaufenden Schwenkhebel (9) verbunden und durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkel verstellbar sowie durch am Pleuel (1) anordenbare Sperrmittel an diesem verriegelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Sperrmittels ein Schwenkhebelende (9a) des Schwenkhebels (9) über ein Gelenk (10) mit einer Schubstange (11) verbunden ist, die gelenkig an einem am Pleuel (1) gelagerten Kurbeltrieb (20) angreift, und dass der Kurbeltrieb (20) über eine Sperreinrichtung (19) in zumindest zwei unterschiedlichen Drehstellungen drehfest an das Pleuel (1) kuppelbar ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, der drehfest mit einem radial zu diesem verlaufenden Schwenkhebel verbunden und durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkel verstellbar sowie durch am Pleuel anordenbare Sperrmittel in diesem verriegelbar ist.
• Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Sperrmittel für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels mit einem am Pleuel fixierbaren Bauelement und einem gegenüber diesem beweglichen und in unterschiedlichen Stellungen festlegbaren Bauelement.
• Schließlich betrifft die Erfindung ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit, wobei eine effektive Länge des Pleuels zweistufig verstellbar ist, mit einem drehbar in einem Pleuelauge des Pleuels geführten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, auf dem ein radial verlaufender, drehfest mit diesem verbundener Schwenkhebel angeordnet ist, wobei der Exzenterkörper durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in zumindest zwei unterschiedliche Drehwinkellagen verstellbar ist und in diesen durch am Pleuel angeordnete Sperrmittel an diesem verriegelbar ist.
• Stand der Technik
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 gelagerten Pleuellagerauge erfolgen, wodurch sich jeweils die Lage des Kolbens gegenüber dem Kurbelzapfen verändert.
• 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 10 2014 220 175 A1 bekannt. Dabei ist im Pleuel ein hydraulisch betätigtes Schaltventil für die Steuerung der Verstellvorrichtung angeordnet. Die Verstellvorrichtung weist einen in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordneten Exzenter mit einer exzentrischen Kolbenbolzenbohrung auf, wobei der Exzenter mit zwei diametral verlaufenden Schwenkhebeln versehen ist, an denen über Exzenterstangen Stützkolben angreifen. Druckräume, die jeweils durch den entsprechenden Stützkolben und einen im Pleuel ausgebildeten Führungszylinder begrenzt sind, werden über Ölzulaufleitungen, in denen ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Motoröl aus einem Pleuellager versorgt. Neben der jeweiligen Ölzulaufleitung ist an jeden der beiden Druckräume eine weitere Ölrücklaufleitung angeschlossen, die zu dem vorstehend genannten Schaltventil führt.
• Das Schaltventil besteht aus einem in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbaren Steuerschieber und einem den Steuerschieber aufnehmenden Ventilgehäuse, welches seinerseits in einer im Pleuel ausgebildeten Aufnahmebohrung angeordnet ist. Der Steuerschieber ist in einer durch das Ventilgehäuse gebildeten, zylindrischen Gehäusebohrung längsverschiebbar angeordnet und über einen mit einem Steueranschluss verbundenen Steuerraum an einer ersten axial gerichteten Stirnfläche mit einem hydraulischen Steuerdruck eines innerhalb des Pleuels verlaufenden Fluidkanals beaufschlagbar. Des Weiteren weist das Schaltventil eine Rückstellfeder auf, mit der eine von der ersten axial gerichteten Stirnfläche abgewandte zweite axial gerichtete Stirnfläche des Steuerschiebers mit einer Rückstellkraft beaufschlagbar ist. Aus einer Ölgalerie der Hubkolbenbrennkraftmaschine wird das Pleuellager mit Motoröl versorgt, wobei eine das Motoröl fördernde Hydraulikpumpe in ihrem Fördervolumen verstellbar ist. Dadurch wird dem Fluidkanal erzeugte Steuerdruck variiert, woraus eine Längsverschiebung des Steuerschiebers in seine unterschiedlichen Schaltstellungen resultiert.
• Die Verstellung des Exzenters in die beiden unterschiedlichen Lagen des Kolbenbolzenlagers für ein hohes oder niedriges Verdichtungsverhältnis erfolgt aufgrund der vom Arbeitskolben übertragenen Massen- und Gaskräfte. Dabei kann der jeweilige Stützkolben in einer durch das Schaltventil vorgegebenen Richtung bewegen. In jeder der beiden Endlagen des Exzenters liegt einer der Stützkolben am Boden des Führungszylinders an, während sich der andere Stützkolben auf dem im Druckraum befindlichen Druckmittel abstützt. Dadurch wird eine einerseits hydraulisch und andererseits mechanisch wirkende Sperreinrichtung geschaffen, die den Exzenter in dieser Position hält.
• Ein Nachteil einer derartigen hydraulischen Abstützung des Exzenters besteht darin, dass das entsprechende Druckmittel, das sowohl für die Steuerung des Schaltventils als auch für die Druckräume der beiden Stützzylinder benötigt wird, dem jeweiligen Pleuellager entnommen wird. Dabei können Probleme hinsichtlich einer ausreichenden Schmierölversorgung des Pleuellagers auftreten. Weiterhin erweist sich als nachteilig, dass pulsierende Öldruckschwankungen in dem Fluidkanal und somit im Steuerraum zu unkontrollierbaren Fehlschaltungen des Schaltventils führen. Diese Öldruckschwankungen resultieren aus den auf die Ölsäule der Steuerleitung wirkenden Fliehkräften, die mit zunehmender Motordrehzahl ebenfalls ansteigen. Eine Amplitude der Druckschwankungen nimmt quadratisch mit der Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu. Die Fehlschaltungen führen dazu, dass nach kurzer Betriebsdauer der Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht mehr sämtliche Zylindereinheiten mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis betrieben werden. Daher muss zwangsläufig eine Resetfunktion vorgesehen sein, die in kurzen Betriebsintervallen die Verdichtungsverhältnisse der Zylindereinheiten synchronisiert.
• Eine weitere Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels zeigt die DE 10 2014 013 382 A1 . Offenbart ist ein Exzenterkörper mit einer Sperreinrichtung an einem Pleuel mit variabler Länge. Das Pleuel ist einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet. Ein Exzenterkörper wird durch eine auf die Kipphebel aufgebrachte Kraft verdreht, wobei durch diese Kraft die Sperreinrichtung überdrückt wird.
• Eine weitere Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels zeigt die DE 10 2015 203 387 A1 . Offenbart ist ein Exzenterkörper, der drehfest mit einem Schwenkhebel verbunden ist. An dem Schwenkhebel ist über ein erstes Gelenk eine Schubstange schwenkbar angelenkt. Der Exzenterkörper ist durch Massen- oder Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkel verstellbar.
• Eine weitere Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels zeigt die DE 10 2015 208 458 A1 . Offenbart ist ein Sperrmittel für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels mit einem am Pleuel fixierbaren Bauelement und einem gegenüber diesem beweglichen und in unterschiedlichen Stellungen festlegbaren Bauelement. Das Sperrmittel weist einen Freilauf auf, dessen in einer Drehrichtung zueinander drehbaren und in der anderen Drehrichtung zueinander sperrbaren Rollen jeweils drehfest im Pleuel (13) anordenbar sind. Das drehbare Bauelement ist durch eine Sperreinrichtung am Pleuel in zumindest zwei unterschiedlichen Drehwinkellagen verriegelbar.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines mechanisch betätigten Sperrelements 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 und keiner Druckmittelversorgung aus dem Pleuellager bedarf.
• 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.
• Danach ist eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper versehen. Der Exzenterkörper weist eine zylindrische Außenkontur auf und ist mit seiner Außenmantelfläche verdrehbar im Pleuelauge geführt, wobei das Kolbenbolzenlager exzentrisch zur Längsmittelachse des Exzenterkörpers verläuft. Drehfest ist mit dem Exzenterkörper ein Schwenkhebel verbunden, der somit radial zum Exzenterkörper verläuft. Die Vorrichtung ist durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkel verstellbar. Weiterhin sind am Pleuel Sperrmittel anordenbar, mittels welcher der Exzenterkörper gegenüber dem Pleuel verriegelbar ist.
• Erfindungsgemäß soll dabei ein Schwenkhebelende des Schwenkhebels über ein Gelenk an einer Schubstange angreifen, die wiederum gelenkig mit einem am Pleuel gelagerten Kurbeltrieb verbunden ist. Der Kurbeltrieb ist am Pleuel drehbar gelagert, wobei ein zwischen der Schubstange und dem Kurbeltrieb vorgesehenes Gelenk mit radialem Abstand zu einer Lagerung des Kurbeltriebs vorgesehen ist. Insgesamt wird somit ein Koppelgetriebe gebildet. Über das Sperrmittel ist der Kurbeltrieb in zumindest zwei Drehstellungen drehfest an das Pleuel kuppelbar, wobei diese im Falle von zwei Drehstellungen jeweils einem hohen Verdichtungsverhältnis ε_High und einem niedrigen Verdichtungsverhältnis ε_Low entsprechen können.
• Weiterhin soll das Sperrmittel einen Freilauf mit einem drehfest mit dem Pleuel verbundenen Bauelement und einem gegenüber diesem ausschließlich in einer Drehrichtung drehbaren Bauelement aufweisen. Diese Bauteile sind vorzugsweise ein Innenelement und ein relativ zu diesem in nur einer Richtung drehbarer Außenring. Vorzugsweise ist das Innenelement drehfest mit dem Pleuel verbunden, während der Außenring in einer Richtung drehbar ist. Diese Funktionen lassen sich aber auch kinematisch umkehren, was ebenfalls Gegenstand der Erfindung sein soll. Der Freilauf kann als Klemmrollenfreilauf oder als Klemmkörperfreilauf ausgebildet sein. Neben der Ausbildung des Freilaufs als Radialfreilauf mit konzentrisch zueinander angeordneten Bauelementen besteht auch die Möglichkeit, diesen als Axialfreilauf zu gestalten, bei dem die Bauelemente scheibenförmig ausgeführt sind.
• Dabei ist das jeweils drehbare Bauelement durch die Sperreinrichtung in den jeweiligen Drehwinkeln sperrbar, wobei die Sperreinrichtung mittels eines Aktuators betätigbar ist. Weiterhin ist ein Schwenkhebelende des Schwenkhebels über ein Gelenk mit einer Schubstange verbunden, die gelenkig an einem exzentrischen Anlenkpunkt des drehbaren Bauelements angreift. Das in einer Drehrichtung drehbare Bauelement des Freilaufs kann folglich Drehbewegungen um 360° ausführen, wobei es während dieses Umlaufs mittels der Sperreinrichtung in einer unbegrenzten Anzahl von Stellungen gegenüber dem Pleuel verriegelbar sein kann.
• Demgegenüber ist bei der Vorrichtung nach der DE 10 2014 220 175 A1 der Exzenter über einen als zweiarmiger Hebel ausgebildeten Schwenkhebel und mit dessen Enden verbundenen Kolbenstangen in hydraulischen Stützzylindern abgestützt. Diese wirken somit als hydraulische Sperreinrichtung, die den Schwenkhebel und somit den Exzenter in zwei unterschiedlichen Positionen festlegt.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe soll auch bei einem Sperrmittel für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels gelöst werden. Dabei weist das Sperrmittel ein am Pleuel fixierbares Bauelement und ein gegenüber diesem bewegliches und in unterschiedlichen Stellungen festlegbares Bauelement auf. Erfindungsgemäß weist das Sperrmittel einen Freilauf auf, dessen in einer Drehrichtung zueinander drehbaren und in der anderen Drehrichtung zueinander sperrbaren Bauelemente zum einen drehfest im Pleuel anordenbar und zum anderen exzentrisch mit einer Schubstange verbindbar sind. Auch in diesem Fall soll der Freilauf vorzugsweise als Radialfreilauf ausgebildet sein.
• Dabei kann das Innenelement drehfest mit dem Pleuel verbunden werden, während der entsprechende Außenring in einer Richtung drehbar ist.
• Wie bereits dargelegt können diese Funktionen aber auch kinematisch umgekehrt sein, d.h., dass das Außenelement am Pleuel fixiert und das Innenelement drehbar ist, was ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. Für den Freilauf ist eine Ausbildung als Klemmrollenfreilauf oder als Klemmkörperfreilauf vorgesehen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, diesen als Klemmfederfreilauf auszuführen. Neben der generellen Ausbildung des Freilaufs als Radialfreilauf mit konzentrisch zueinander angeordneten Bauelementen besteht auch die Möglichkeit, diesen als Axialfreilauf zu gestalten, bei dem die Bauelemente scheibenförmig ausgeführt sind. Das drehbare Bauelement des Freilaufs soll auch in diesem Fall durch eine Sperreinrichtung am Pleuel in zwei unterschiedlichen Drehwinkellagen verriegelbar sein.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das drehfest mit dem Pleuel verbundene Bauelement als Innenstern ausgebildet sein, wobei die Schubstange kurbelartig an dem als Außenring ausgeführten Bauelement angreift. In diesem Fall weist der Innenstern Klemmrampen auf, die jeweils eine Klemmrolle aufnehmen, wobei die Klemmrollen jeweils über ein Federelement gegen Klemmflächen der Klemmrampen angefedert sind. Die Drehbewegung des Außenrings ist folglich in einer Drehrichtung gesperrt, während dieser sich in der anderen Drehrichtung frei drehen kann. Dabei bilden der Außenring und die Schubkurbel gemeinsam einen Kurbeltrieb, über den sich die Schubkurbel und somit letztendlich der Exzenterkörper bei betätigter Sperreinrichtung am Pleuel abstützen können. Im Falle der vorgenannten kinematischen Umkehr bei der Anordnung des Freilaufs würde vorzugsweise der Außenring Klemmrampen aufweisen, während das Innenelement eine glattwandige Außenmantelfläche aufweist.
• Weiterhin kann die Sperreinrichtung zumindest eine Klaue aufweisen, die während einer Sperrung des Außenringes formschlüssig in an diesem ausgebildete profilierte Umfangsabschnitte eingreift, die im Falle einer zweistufigen Verstellbarkeit der Vorrichtung um vorzugsweise etwa 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Die profilierten Umfangsabschnitte können beispielsweise als Ausnehmungen ausgebildet sein, die in unterschiedlichen Querebenen oder in der gleichen Querebene des Außenringes vorgesehen sind. Der Außenring wird aufgrund der auf den Exzenterkörper übertragenen Massen- und Gaskräfte mittels des Schubkurbeltriebs in eine umlaufende Drehbewegung versetzt, die durch die um ca. 180° versetzt zueinander wirkenden Sperreinrichtungen gestoppt wird. Dabei kann die Sperreinrichtung mit Dämpfungsmitteln versehen sein, die jeweils bei der Bewegung der zumindest einen Klaue in die profilierten Umfangsabschnitte wirksam sind.
• 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.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll die Sperreinrichtung über einen mechanischen Aktuator betätigbar sein, welcher, vorzugsweise parallel zu einer Längsmittelachse eines Pleuellagerauges verlaufend, in einer Aufnahmebohrung des Pleuels verschiebbar angeordnet ist. Der Aktuator soll an seinen Stirnflächen über eine in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine verstellbar geführte Schaltkulisse betätigbar sein. Dabei können zwischen dem Aktuator und der Sperreinrichtung mechanische Übertragungselemente mit schrägen Steuerflächen sowie federnden Rückstellelementen vorgesehen sein. Der Aktuator kann einen zylindrischen Schieber mit Steuerkonturen aufweisen, die Längsbewegungen der Übertragungselemente in unterschiedlichen Richtungen bewirken. Auch innerhalb der Sperreinrichtung kann ein Kulissenelement vorgesehen sein, das auf die zumindest eine Klaue wirkt.
• Weiterhin soll der Aktuator 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. Wenn der Aktuator dem Pleuellagerauge benachbart und parallel zu dessen Längsmittelachse angeordnet ist, kann dieser in seinen beiden Verschieberichtungen durch die im Kurbelgehäuse, bevorzugt im Bereich der Ölwanne, verschieb- oder verdrehbar geführte Schaltkulisse betätigt werden. Die jeweilige Betätigung des Aktuators kann eventuell in einem Drehwinkelbereich der Kurbelwelle nach dem Durchlaufen des unteren Totpunktes erfolgen.
• 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 soll in einem Pleuelauge des Pleuels ein Exzenterkörper drehbar angeordnet sein, der ein Kolbenbolzenlager aufnimmt. Dieser ist drehfest mit einem radial verlaufenden Schwenkhebel verbunden, wobei der Exzenterkörper durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkellagen verstellbar ist. Weiterhin soll der Exzenterkörper durch am Pleuel angeordnete Sperrmittel an diesem verriegelbar sein. Erfindungsgemäß sollen die Sperrmittel gemäß einem der Patentansprüche 1 sowie 3 bis 9 angeordnet und ausgebildet sein.
• Figurenliste
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. 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 Schubstange sowie einen Freilauf aufweist, wobei die Schubstange mit ihren Enden am Schwenkhebel und an einem drehbaren Bauelement des Freilaufs angelenkt und das Pleuel in ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High verstellt ist,
• 2 im Querschnitt eine Teilansicht des als Klemmrollenfreilauf ausgebildeten Freilaufs,
• 3 einen Teillängsschnitt durch einen Außenring des Freilaufs im Bereich einer Sperreinrichtung,
• 4 eine schematische Darstellung einer Betätigung des Freilaufs über einen mit einer schrägen Steuerfläche versehenen Aktuators, der über ein Gestänge mit der Sperreinrichtung zusammenwirkt,
• 5 eine schematische Darstellung einer den Aktuator betätigenden Schaltkulisse und
• 6 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus der Vorrichtung, wobei der Kurbeltrieb mit dem Freilauf kombiniert ist.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem zum Teil als Pleuelschaft 2 ausgebildeten Pleueloberteil 3 und einem nur teilweise dargestellten 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 ε_Low und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses ε_High 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.
• Mit dem Exzenterkörper 8 ist ein Schwenkhebel 9 drehfest verbunden. Ein Schwenkhebelende 9a des Schwenkhebels 9 ist über ein erstes Gelenk 10 gelenkig mit einer Schubstange 11 verbunden, die wiederum über ein zweites Gelenk 12 exzentrisch an einem Außenring 13 eines Freilaufs 14 angelenkt ist. Wie weiterhin aus der 1 hervorgeht, ist dieses zweite Gelenk 12 exzentrisch zu einer Längsmittelachse 15 des Freilaufs 14, vorzugsweise an einem Bord 16 des Außenringes 13 angeordnet. Ein Innenelement 17 des Freilaufs 14 soll drehfest mit dem Pleuel 1 verbunden sein, wofür dieses eine Nabe 18 aufweist. An einer Außenmantelfläche des Außenringes 13 greift nach 1 eine Sperreinrichtung 19 an, die diesen in der dargestellten Position, in der am Exzenterkörper 8 ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High eingestellt ist, gegenüber dem Pleuel 1 verriegelt.
• Mittels des Freilaufs 14, der insgesamt als ein die Schubstange 11 abstützender Kurbeltrieb 20 ausgebildet ist und von dem ein mögliches Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der 2 erläutert wird, soll erreicht werden, dass sich das zweite Gelenk nur in einer Drehrichtung, und zwar entgegen dem Uhrzeigersinn, fortlaufend drehen kann. Die Sperreinrichtung 19, die mittels eines Aktuators 21 über ein Gestänge 22 betätigt wird, übernimmt dabei eine Verriegelung des Außenringes 13 in zwei um etwa 180° zueinander versetzten Drehpositionen. Aus der 1 geht außerdem hervor, dass ein Schmierölsystem 23 der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine im Pleuellagerauge 5a angeordnetes Pleuellager mit Schmieröl versorgt. Eine sehr geringe Schmierölmenge kann dabei über eine Ölbohrung 24 dem Freilauf 14 zugeleitet werden und zur Dämpfung der Sperreinrichtung 19 dienen.
• In der 2 ist im Querschnitt eine Teilansicht des in diesem Fall als Klemmrollenfreilauf ausgebildeten Freilaufs 14 dargestellt. Danach ist das Innenelement 17 mit Taschen 25 versehen, die jeweils eine Klemmrolle 26 aufnehmen. Von diesen Taschen 25 gehen Klemmrampen 27 aus, die in Umfangsrichtung kontinuierlich ansteigen. Die Klemmrollen 26 sind in einem Käfig 28 geführt, der über Mitnehmer 29 in Ausnehmungen 30 des Innenelements 17 eingreift. Dabei nimmt der Käfig 28 die Klemmrollen 26 über nicht näher dargestellte Käfigtaschen auf und spannt diese über Federelemente 31 in Richtung ihrer Klemmstellung vor. Der Außenring 13, der die Klemmrollen 26 radial umschließt, weist eine glattzylindrische Klemmbahn 32 auf. Wie bereits in der 1 dargestellt, soll dieser Außenring 13 mit zumindest einem Bord 16 versehen sein, der der Schnittdarstellung in der 2 nicht entnommen werden kann. An diesem soll vorzugsweise das zweite Gelenk 12 angeordnet sein, so dass die Schubstange 11 schwenkbeweglich an dem Außenring 13 geführt ist.
• Die 3 zeigt eine Teilansicht des Außenringes 13 im Bereich der Sperreinrichtung 19. Danach sollen zwei Klauen 34 und 35 zueinander beabstandet im Pleuel 1 angeordnet sein und über eine Betätigungskulisse 36 in eine Entriegelungsposition bewegt werden. Die Betätigungskulisse 36 ist längsverschieblich in einer Bohrung 37 des Pleuels 1 geführt und mit zwei Steuerschrägen 38 und 39 versehen. Weiterhin wird die jeweilige Klaue 34 bzw. 35 mittels einer Druckfeder 40 und 41 in Richtung einer Außenmantelfläche des Außenrings 13 vorgespannt.
• Der 3 ist zu entnehmen, dass die Betätigungskulisse 36 die Klaue 35 freigibt, so dass diese, über die Druckfeder 41 verschoben, in eine Ausnehmung 42 des Außenrings 13 eingreift und diesen somit am Pleuel 1 verriegelt. Die andere Klaue 34 ist dagegen über die Steuerschräge 38 der Betätigungskulisse 36 in eine Nichteingriffsposition bewegt worden. Eine mit dieser Klaue 34 auf einer Bewegungsbahn liegende Ausnehmung, die nicht dargestellt ist, soll gegenüber der gezeigten Ausnehmung 42 am Umfang des Außenrings 13 um ca. 180° versetzt sein. Wird also nach der 3 die Klaue 35 mittels der Betätigungskulisse 36 aus der Ausnehmung 42 ausgerückt, so kann sich der Außenring 13 so lange verdrehen, bis die andere Klaue 34 in die andere nicht gezeigte Ausnehmung einrückt.
• Die 4 zeigt den Aktuator 21, der eine schräge Steuerfläche 43 aufweist. Über eine Schaltkulisseneinheit 44, deren Funktion durch einen Pfeil dargestellt ist, wird der Aktuator 21 in Längsrichtung verschoben, bis ein Gestänge 45 die schematisch dargestellte Klaue 35 in die Ausnehmung 42 verschiebt und somit den Außenring 13 in dieser Position im Pleuel festlegt.
• Weiterhin zeigt die 5 eine mögliche Ausgestaltung der Schaltkulisseneinheit 44, die Schaltkulissen 46 und 47 aufweist die jeweils umfangsversetzt auf einer im Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine drehbar gelagerten Steuerwelle 48 angeordnet sind. Diese Schaltkulissen sorgen abwechselnd für eine Längsverschiebung des Aktuators 21, von dem aus, wie dargelegt, die entsprechende Steuerbewegung über das Gestänge 45 auf die Kulisse 36 und somit die Klauen 34 und 35 übertragen wird.
• Schließlich gehen aus der 6 der Aufbau und das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor. Danach erfolgt eine externe Betätigung der in einem Kurbelgehäuse angeordneten Schaltkulisse, die, wie bereits erläutert, eine Aktuierung des Aktuators bewirkt. Dieser Aktuator betätigt eine Arretierung, die den Außenring des im Kreissystem (Umlauf des Außenringes in einer Drehrichtung) betriebenen Freilaufs in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen arretiert. Weiterhin geht aus der 6 hervor, dass die Gaskräfte und Massenkräfte auf den Arbeitskolben der jeweiligen Zylindereinheit wirken und damit eine Verdrehung des Exzenterkörpers in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses ε_High oder in Richtung eines geringen Verdichtungsverhältnisses ε_Low herbeiführen können.
• Der Exzenterkörper ist mit dem Schwenkhebel verbunden, wobei zur Erzielung einer verringerten Kraftübertragung auf die Schubstange und somit den Freilauf ein Hebelverhältnis von ungefähr mindestens 1:10 vorgesehen sein soll. Dem Freilauf bzw. der Sperreinrichtung kann ein Dämpfer zugeordnet sein. Optional ist 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.
• Bezugszeichenliste

1

Pleuel

2

Pleuelschaft

3

Pleueloberteil

4

Pleuelunterteil

5

Pleuellagergehäuse

5a

Pleuellagerauge

6

Längsmittelachse von 5a

7

Pleuelauge

8

Exzenterkörper

8a

Kolbenbolzenlager

9

Schwenkhebel

9a

Schwenkhebelende

10

erstes Gelenk

11

Schubstange

12

zweites Gelenk

13

Außenring

14

Freilauf

15

Längsmittelachse von 14

16

Bord

17

Innenelement

18

Nabe von 17

19

Sperreinrichtung

20

Kurbeltrieb

21

Aktuator

22

Gestänge

23

Schmiersystem

24

Ölbohrung

25

Taschen von 17

26

Klemmrollen

27

Klemmrampen

28

Käfig

29

Mitnehmer

30

Ausnehmungen

31

Federelemente

32

Klemmbahn

34

Klaue

35

Klaue

36

Betätigungskulisse

37

Bohrung

38

Steuerschräge

39

Steuerschräge

40

Druckfeder

41

Druckfeder

42

Ausnehmung

43

schräge Steuerfläche von 21

44

Schaltkulisseneinheit

45

Gestänge

46

Schaltkulisse

47

Schaltkulisse

48

Steuerwelle

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels (1) während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge (7) drehbar angeordneten ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), der drehfest mit einem radial zu diesem verlaufenden Schwenkhebel (9) verbunden und durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in unterschiedliche Drehwinkel verstellbar sowie durch am Pleuel (1) anordenbare Sperrmittel an diesem verriegelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Sperrmittels ein Schwenkhebelende (9a) des Schwenkhebels (9) über ein Gelenk (10) mit einer Schubstange (11) verbunden ist, die gelenkig an einem am Pleuel (1) gelagerten Kurbeltrieb (20) angreift, und dass der Kurbeltrieb (20) über eine Sperreinrichtung (19) in zumindest zwei unterschiedlichen Drehstellungen drehfest an das Pleuel (1) kuppelbar ist.
2. Sperrmittel für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines einer Zylindereinheit zugeordneten Pleuels (1) mit einem am Pleuel (1) fixierbaren Bauelement und einem gegenüber diesem beweglichen und in unterschiedlichen Stellungen festlegbaren Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrmittel einen Freilauf (14) aufweist, dessen in einer Drehrichtung zueinander drehbaren und in der anderen Drehrichtung zueinander sperrbaren Bauelemente (13 und 17) jeweils zum einen drehfest im Pleuel (1) anordenbar und zum anderen exzentrisch mit einer Schubstange (11) verbindbar sind, und dass das drehbare Bauelement (13) durch eine Sperreinrichtung (19) am Pleuel (1) in zumindest zwei unterschiedlichen Drehwinkellagen verriegelbar ist.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (20) einen Freilauf (14) mit einem drehfest mit dem Pleuel (1) verbundenen Bauelement (17) und einem gegenüber diesem ausschließlich in einer Drehrichtung drehbaren Bauelement (13) aufweist, wobei das drehbare Bauelement (13) durch die Sperreinrichtung (19), die mittels eines Aktuators (21) betätigbar ist, in den jeweiligen Drehwinkeln sperrbar ist, und dass die Schubstange (11) gelenkig an einem exzentrischen Anlenkpunkt (12) des drehbaren Bauelements (13) angreift.
4. Vorrichtung oder Sperrmittel nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das drehfest mit dem Pleuel (1) verbundene Bauelement als Innenelement (17) ausgebildet ist und dass die Schubstange (11) kurbelartig an dem als Außenring (13) ausgeführten Bauelement angreift.
5. Vorrichtung oder Sperrmittel nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (19) zumindest eine Klaue (34, 35) aufweist, die während einer Sperrung des Außenringes (13) formschlüssig in an diesem ausgebildete profilierte Umfangsabschnitte eingreift, die bei einer zweistufigen Verstellbarkeit der Vorrichtung um 180° zueinander versetzt angeordnet sind
6. Vorrichtung oder Sperrmittel nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Klaue (34, 35) verschiebbar im Pleuel (1) geführt ist und durch eine achsparallel zu einer Längsmittelachse (15) des Freilaufs (14) verlaufende Betätigungskulisse (36) in die profilierten Umfangsabschnitte bewegt oder aus diesen herausbewegt wird.
7. Vorrichtung oder Sperrmittel nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (19) mit Dämpfungsmitteln versehen ist.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (21) verschiebbar in einer Aufnahmebohrung des Pleuels (1) angeordnet ist und parallel zu einer Längsmittelachse (6) eines Pleuellagerauges (5a) verläuft und dass der Aktuator (21) an seinen Stirnflächen über zumindest eine in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine verstellbar geführte Schaltkulisse (46, 47) betätigbar ist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsbewegung des Aktuators (21) über ein mit Steuerflächen versehenes Gestänge (45) auf die Sperreinrichtung (19) übertragbar ist.
10. Pleuel (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit, wobei eine effektive Länge des Pleuels (1) zweistufig verstellbar ist, mit einem drehbar in einem Pleuelauge (7) des Pleuels (1) geführten, ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), auf dem ein radial verlaufender, drehfest mit diesem verbundener Schwenkhebel (9) angeordnet ist, wobei der Exzenterkörper (8) durch die auf einen Arbeitskolben der Zylindereinheit wirkenden Massen- und Gaskräfte in zumindest zwei unterschiedliche Drehwinkellagen verstellbar ist und in diesen durch am Pleuel (1) angeordnete Sperrmittel an diesem verriegelbar ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung und Ausbildung der Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge des Pleuels (1) und des Sperrmittels nach einem der Patentansprüche 1 bis 9.

Images