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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors. Stützzylinder und Kolben eines Hubkolbenmotors schließen bei einem im unteren Totpunkt befindlichen Kolben einen sog. Zylinderraum ein und bei einem im oberen Totpunkt befindlichen Kolben einen sog. Kompressionsraum. Das Volumen des Zylinderraums steht in einem bestimmten Verhältnis zum Volumen des Kompressionsraumes, wodurch das Verdichtungsverhältnis definiert wird. Ein hohes Verdichtungsverhältnis führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors und ist somit grundsätzlich vorteilhaft. Im Volllastbereich geht ein hohes Verdichtungsverhältnis jedoch mit einer im Vergleich mit dem Teillastbereich erhöhten Klopfneigung einher, wodurch der Auslegung Grenzen gesetzt werden. Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisse können dazu beitragen, das Spannungsverhältnis zwischen der Verbesserung des Wirkungsgrades und der Verminderung der Klopfneigung aufzulösen.
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Eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kann umgesetzt werden, indem die effektive Länge des Pleuels verändert wird: Die effektive Länge eines Pleuels ergibt sich aus dem Abstand zwischen dem Kurbelzapfen einer Kurbelstange, auf dem das Pleuel gelagert ist, und dem Kolbenbolzenlager. Das Kolbenbolzenlager ist als Bohrung eines Exzenters gestaltet, der im kleinen Pleuelauge des Pleuels angeordnet ist. Die Längsmittelachse des Kolbenbolzenlagers verläuft somit exzentrisch zur Längsmittelachse des kleinen Pleuelauges – auf diese Weise kann durch eine Verdrehung des Exzenters eine Verstellung der effektiven Länge des Pleuels bewirkt werden.
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Die Verdrehung des Exzenters erfolgt unter Ausnutzung der aus der Massenträgheit resultierenden Kraft (Massenkraft) einerseits sowie der im Stützzylinder wirkenden Gaskräfte andererseits. Die Massenkraft kann demnach zu einer Vergrößerung der effektiven Länge genutzt werden (erster Zustand); die Gaskräfte hingegen können eine entgegengesetzte Verstellung des Exzenters bewirken, wodurch die effektive Länge verkürzt und das Verdichtungsverhältnis verkleinert wird (zweiter Zustand). Stellkolben dienen der Steuerung des Exzenters – jeweils ein Stellkolben für die Massenkraftseite und die Gaskraftseite ist in einem am Pleuel ausgebildeten Stützzylinder angeordnet und schließt mit den Stützzylindern je einen Druckraum ein. Motoröl wird dem Druckraum über eine mithilfe eines Rückschlagventils rücklaufseitig versperrte Zulaufleitung zugeführt.
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Die Steuerung der Exzenterverdrehung erfolgt über ein beispielsweise als 3-2-Wegeventil gestaltetes Schaltventil mit einem Steueranschluss für die Gaskraftseite (GKS), einem Steueranschluss für die Massenkraftseite (MKS) sowie einem Ablaufanschluss T. Ein Steuerschieber mit zwei Steuerstegen, die eine Ringnut einschließen, kann wahlweise den Steueranschluss GKS oder den Steueranschluss MKS fluidleitend mit dem Ablaufanschluss T in Verbindung bringen; der jeweils andere Steueranschluss ist mithilfe des entsprechenden Steuerstegs gesperrt. Eine Änderung der effektiven Länge wird demnach verhindert, indem der Steueranschluss gesperrt wird, der dem mit Motoröl gefüllten Druckraum zugeordnet ist. Die hydraulische Einspannung unterstützt eine Verdrehung des Exzenters in Richtung des einzustellenden Zustands und verhindert eine Verdrehung des Exzenters in Richtung des Ausgangszustands. Eine Änderung der effektiven Länge des Pleuels erfolgt hingegen durch eine Entlastung des mit Motoröl gefüllten Druckraumes, indem mithilfe des Steuerschiebers eine fluidleitenden Verbindung zwischen dem entsprechenden Steueranschluss und dem Ablaufanschluss T hergestellt wird.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors ist beispielsweise in der
DE 10 2005 055 199 A1 beschrieben. Gezeigt ist eine Vorrichtung mit einem ein Pleuelauge aufweisenden Pleuel, einem Schaltventil und einem im Pleuelauge gelagerten und verdrehbaren Exzenter, der eine exzentrisch zur Längsmittelachse des Pleuelauges angeordnete Lagerstelle zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren zwei Stellkolben, die mit dem Exzenter in Verbindung stehen, jeweils in einem Stützzylinder geführt sind und jeweils mit dem Stützzylinder einen Druckraum einschließen. Der Druckraum wird über eine Zulaufleitung und ein Rückschlagventil mit Hydraulikmittel versorgt und steht über eine im Bereich des Druckraums angeordnete Ablaufleitung mit dem Schaltventil in Verbindung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors hinsichtlich ihres Aufbaus zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit einem ein Pleuelauge aufweisenden Pleuel, einem Schaltventil und einem im Pleuelauge gelagerten und verdrehbaren Exzenter, der eine exzentrisch zur Längsmittelachse des Pleuelauges angeordnete Lagerstelle zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist, sowie mit zwei Stellkolben, die mit dem Exzenter in Verbindung stehen, jeweils in einem Stützzylinder geführt sind und jeweils mit dem Stützzylinder einen Druckraum einschließen, der über eine Zulaufleitung und ein Rückschlagventil mit Hydraulikmittel versorgbar ist sowie über eine Ablaufleitung mit dem Schaltventil in Verbindung steht, wobei das Rückschlagventil ein Gehäuse umfasst, das in einer Aufnahme angeordnet ist und ein dem Druckraum zugewandtes erstes Ende und ein dem Druckraum abgewandtes zweites Ende aufweist. Am Außenumfang des Gehäuses ist eine Nut angeordnet ist, die sich vom ersten Ende in Richtung zweites Ende erstreckt.
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Die Anordnung einer Nut am Außenumfang des Gehäuses des Rückschlagventils bietet den Vorteil, auf kostengünstige Weise einen Kanal zwischen Gehäuse und Aufnahme bilden zu können. Auf vorteilhafte Weise kann somit eine Leitung für Hydraulikmittel bereitgestellt werden, um beispielsweise eine Verbindung zwischen dem Druckraum und dem Ablaufanschluss herzustellen. Die Dimensionierung und Auswahl der Anzahl der Nuten sind vom erforderlichen Strömungsquerschnitt abhängig.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist am Innenumfang der Aufnahme eine Ablauföffnung angeordnet, die die die Ablaufleitung freigibt. Insbesondere ist es somit nicht erforderlich, die Ablauföffnung im Bereich des Druckraums anzuordnen, wodurch der Bauraumbedarf des Stützzylinders optimiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Ablauföffnung im Bereich der Nut angeordnet, wodurch ein fluidleitender Kanal zwischen Gehäuse und Aufnahme gebildet wird. Auf unaufwendige Weise lässt sich somit ein Hydraulikmittelpfad zwischen Druckraum und Schaltventil verwirklichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist am Außenumfang des Gehäuses eine umlaufende Ringnut angeordnet. In einer Weiterentwicklung stehen die Nut und die Ringnut miteinander in Verbindung. Für die Fertigung und Montage ist es von besonderem Vorteil, wenn die Ablauföffnung im Bereich der Ringnut angeordnet ist. Durch die eingestochene Ringnut auf dem Außendurchmesser des Gehäuses ist keine winkelorientierte Einpressung erforderlich. In diesem Fall entfällt also das Erfordernis einer an der Ablauföffnung ausgerichteten Montage; eine zusätzliche Sicherung gegen Verdrehen des Gehäuses ist nicht erforderlich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform verläuft die Nut parallel zur Längsachse des Gehäuses vom ersten Ende bis zum zweiten Ende. Die Ausführung kann besonders kostengünstig gefertigt werden. Alternativ kann die Nut parallel zur Längsachse des Gehäuses vom ersten Ende bis zur umlaufenden Ringnut verlaufen, wodurch besondere Vorteile in der Abdichtung gegen den Zulauf erzielt werden. Darüber hinaus kann zur Abdichtung auch ein O-Ring oder ein alternatives Dichtmittel eingesetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Stützzylinder und die Aufnahme konzentrisch zueinander angeordnet. Insbesondere entfällt das Erfordernis, – neben der Aufnahme für das Rückschlagventil – eine weitere Öffnung oder Bohrung zur Verfügung zu stellen, über die der Ablauf erfolgt. Das Erfordernis einer von der Aufnahme getrennt verlaufenden Ablaufleitung, über die der Druckraum mit dem Schaltventil in Verbindung steht, entfällt. Darüber hinaus wird die Fertigung vereinfacht.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Aufnahme und der Stützzylinder jeweils durch eine am Pleuel angeordnete Bohrung gebildet, wodurch die Fertigungskosten optimiert werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors;
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Pleuels mit einem konzentrisch zum Stützzylinder angeordneten Rückschlagventil;
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3 zeigt eine Draufsicht auf das Rückschlagventil aus 2;
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Gestaltung des Rückschlagventils.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors. Eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kann umgesetzt werden, indem die effektive Länge eines Pleuels 1 verändert wird: Die effektive Länge eines Pleuels ergibt sich aus dem Abstand zwischen dem Kurbelzapfen einer Kurbelstange, auf dem das Pleuel gelagert ist, und dem Kolbenbolzenlager 2. Das Kolbenbolzenlager ist als Bohrung eines Exzenters 3 gestaltet, der im Pleuelauge 4 des Pleuels 1 angeordnet ist. Die Längsmittelachse des Kolbenbolzenlagers 2 verläuft somit exzentrisch zur Längsmittelachse des Pleuelauges 4 – auf diese Weise kann durch eine Verdrehung des Exzenters 3 eine Verstellung der effektiven Länge des Pleuels 1 bewirkt werden.
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Die Verdrehung des Exzenters 3 erfolgt unter Ausnutzung der aus der Massenträgheit resultierenden Kraft (Massenkraft) einerseits sowie der im Stützzylinder wirkenden Gaskräfte andererseits. Die Massenkraft kann demnach zu einer Vergrößerung der effektiven Länge genutzt werden (erster Zustand); die Gaskräfte hingegen können eine entgegengesetzte Verstellung des Exzenters bewirken, wodurch die effektive Länge verkürzt und das Verdichtungsverhältnis verkleinert wird (zweiter Zustand). Stellkolben 5 dienen der Steuerung des Exzenters 3 – jeweils ein Stellkolben 5 für die Massenkraftseite 7 und die Gaskraftseite 6 ist in je einem am Pleuel 1 ausgebildeten Stützzylinder 8 angeordnet und schließt mit dem Stützzylinder einen Druckraum 9a, 9b ein. Motoröl wird den Druckräumen 9a, 9b über eine mithilfe des Rückschlagventils 10 rücklaufseitig versperrte Zulaufleitung 11 zugeführt.
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Das Schaltventil 12 umfasst zwei Steueranschlüsse und kann wahlweise den Steueranschluss für die Gaskraftseite oder den Steueranschluss für die Massenkraftseite fluidleitend mit einem Reservoir in Verbindung bringen; der jeweils andere Steueranschluss ist mithilfe eines Steuerstegs gesperrt. Eine Änderung der effektiven Länge wird demnach verhindert, indem der Steueranschluss gesperrt wird, der dem mit Motoröl gefüllten Druckraum 9a bzw. 9b zugeordnet ist. Die hydraulische Einspannung unterstützt eine Verdrehung des Exzenters 3 in Richtung des einzustellenden Zustands und verhindert eine Verdrehung des Exzenters 3 in Richtung des Ausgangszustands. Eine Änderung der effektiven Länge des Pleuels 1 erfolgt hingegen durch eine Entlastung des mit Motoröl gefüllten Druckraumes 9a bzw. 9b, indem mithilfe von einem Steuerschieber eine fluidleitenden Verbindung zwischen dem entsprechenden Steueranschluss und dem Ablaufanschluss T hergestellt wird.
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Die 2 zeigt eine Schnittansicht eines Pleuels 1 mit einem Stellkolben 5, der mit dem Exzenter 3 in Verbindung steht und in einem Stützzylinder 8 geführt ist. Stellkolben 5 und Stützzylinder 8 schließen einen Druckraum 9a oder 9b ein, der über eine Zulaufleitung 11 und ein Rückschlagventil 10 mit Hydraulikmittel versorgt wird und über eine Ablaufleitung 13 mit dem Schaltventil 12 in Verbindung steht. Das Rückschlagventil 10 umfasst einen federbelasteten Schließkörper 14 und ein Gehäuse 15, das in einer konzentrisch zum Stützzylinder 8 gelegenen Aufnahme 16 angeordnet ist.
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Das Gehäuse 15 weist ein dem Druckraum 9a oder 9b zugewandtes erstes Ende 17 (in 3) und ein dem Druckraum abgewandtes zweites Ende 18 auf, wobei sich am Außenumfang des Gehäuses 15 eine parallel zur Längsachse des Gehäuses verlaufende Nut 19 vom ersten Ende 17 bis zum zweiten Ende 18 erstreckt und mit einer umlaufenden Ringnut 20 in Verbindung steht. Gehäuse 15 und Aufnahme 16 bilden auf diese Weise einen Hydraulikmittelpfad, der sich vom Druckraum 9a oder 9b bis zur Ablauföffnung 21 erstreckt, die am Innenumfang der Aufnahme 16 im Bereich der Ringnut 20 angeordnet ist und eine Ablaufleitung 13 freigibt. 3 verdeutlicht die Anordnung der axial verlaufenden Nut 19 und der Ringnut 20 des Rückschlagventilgehäuses 15 in einer Draufsicht.
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4 zeigt eine alternative Gestaltung des Rückschlagventils. Die Nut 19 verläuft in der gezeigten Ausführungsform parallel zur Längsachse des Gehäuses 15 vom ersten Ende 17 bis zur umlaufenden Ringnut 20, wodurch besondere Vorteile in der Abdichtung gegen den Zulauf erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Kolbenbolzenlager
- 3
- Exzenter
- 4
- Pleuelauge
- 5
- Stellkolben
- 6
- Gaskraftseite
- 7
- Massenkraftseite
- 8
- Stützzylinder
- 9a
- Druckraum
- 9b
- Druckraum
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Zulaufleitung
- 12
- Schaltventil
- 13
- Ablaufleitung
- 14
- federbelasteter Schließkörper
- 15
- Gehäuse
- 16
- Aufnahme
- 17
- erstes Ende
- 18
- zweites Ende
- 19
- Nut
- 20
- Ringnut
- 21
- Ablauföffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0005]
