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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Stützkolben einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. der in einer Zylinderbohrung längsverschiebbar geführt und gelenkig mit einer Kolbenstange verbunden ist, wobei die Kolbenstange an ihrem mit dem Stützkolben verbundenen Ende einen Kugelkopf aufweist, der in eine Aufnahme des Stützkolbens eingesetzt ist und schwenkbeweglich an einer am Ende der Aufnahme vorgesehenen, in Richtung der Kolbenstange offenen Kugelkalotte geführt ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, dessen effektive Länge zweistufig verstellbar ist, mit zwei in hydraulischen Stützzylindern verschiebbar geführten Stützkolben, wobei jeweils eine Kolbenstange an einem Ende mit dem Stützkolben und am anderen Ende gelenkig mit Betätigungslaschen eines Exzenterhebels verbunden ist, der als zweiarmiger Hebel an einem in einem Pleuelauge schwenkbar geführten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper befestigt 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. 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 eine Verstellung der effektiven Länge des Pleuels, also des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen vorgenommen wird. Dabei kann die Verstellung am Pleuelauge erfolgen, wobei in diesem ein verdrehbarer Exzenterkörper angeordnet ist. Eine Verdrehung desselben bewirkt, dass sich die Lage des Kolbenbolzens und somit des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel verändert.
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Ein Stützkolben einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2014 007 050 A1 bekannt. Danach nimmt ein Pleuelauge eines Pleuels einen drehbar gelagerten Exzenterkörper auf, dessen Kolbenbolzenlager gegenüber einem Mittelpunkt des Pleuelauges versetzt angeordnet ist. Der Exzenterkörper weist an seiner Außenmantelfläche eine Verzahnung auf, an der ein Hebelsystem angreift. Drehbewegungen des Exzenterkörpers in der Bohrung des Pleuelauges sollen durch die im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine auftretenden Gas- und Massenkräfte erzielt werden. Jede der Kolbenstangen nimmt an dem vom Exzenterhebel abgewandten Ende über ein Gelenk einen Stützkolben auf, der verschiebbar in einem im Pleuel ausgebildeten Stützzylinder geführt ist. Dabei soll der auf der Massenkraftseite vorgesehene Stützkolben einen gegenüber dem Stützkolben der Gaskraftseite kleineren Durchmesser aufweisen. Weiterhin soll dieser Stützkolben an der Kolbenstange über ein Gelenk angreifen, das durch einen Kugelkopf der Kolbenstange und eine Kugelkalotte des Stützkolbens gebildet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung und Montage einer Vorrichtung zum Verändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu vereinfachen und dabei die Verbindung des Stützkolbens mit der Kolbenstange hinsichtlich der zu übertragenden Druck- und Zugkräfte zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung 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 soll der Kugelkopf von einem Sicherungsring hintergriffen sein, der am offenen Ende der Aufnahme fixiert ist und mit einem in Richtung der Kugelkalotte und radial nach außen weisenden Führungskragen versehen ist. Dieser Sicherungsring sorgt dafür, dass der Kugelkopf in der Kugelkalotte spielfrei anliegt, so dass die Kolbenstange keine Relativbewegungen gegenüber dem Stützkolben ausführen kann. Da der Sicherungsring mit einem nach außen weisenden Führungskragen versehen ist, der unter einem bestimmten Winkel zu einer Längsmittelachse des Sicherungsrings verläuft, kann sich der Kugelkopf der Kolbenstange je nach Winkelstellung der Kolbenstange im Linienkontakt oder in einer flächigen Anlage am Kugelkopf befinden.
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Demgegenüber ist nach der
DE 102014007050 A1 der Kugelkopf in die mit einer Kugelkalotte versehene Aufnahme eingesetzt, wobei keinerlei Sicherungsmittel vorgesehen sind, um den Kugelkopf in seiner an die Führungsfläche der Kugelkalotte anliegenden Position zu halten. Demzufolge tritt zwischen dem Kugelkopf und der Kugelkalotte ein Spiel auf, wenn Zugkräfte auf die Kolbenstange übertragen werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Sicherungsring geschlitzt ausgebildet ist. Somit ist der Sicherungsring derart geöffnet, dass er sich seitlich über einen Schaft der Kolbenstange schieben lässt, woraufhin die Kolbenstange mit dem Kugelkopf in die Aufnahme eingesetzt und der Sicherungsring innerhalb der Aufnahme fixiert wird. Somit ergibt sich eine für eine Serienfertigung geeignete Anordnung der Bauteile.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sicherungsring in eine an einer inneren Mantelfläche der Aufnahme vorgesehene Nut einschnappbar ist. Vorzugsweise ist diese Nut an dem von der Kugelkalotte abgewandten Ende der Aufnahme vorgesehen. Folglich besteht die Möglichkeit, bei dem zuvor erläuterten Montageprozess nach dem Einführen des Kugelkopfes in die Kugelkalotte den Sicherungsring in die Nut einzuschnappen. Dabei kann sich an die Kugelkalotte eine zylindrische Innenmantelfläche der Aufnahme anschließen, deren Innendurchmesser größer ist als ein endseitiger Innendurchmesser der Kugelkalotte. Dadurch entsteht ein radialer Freiraum für radiale Bewegungen des Führungskragen, die dieser ausführt, wenn die Kolbenstange Schwenkbewegungen gegenüber dem Stützkolben ausführt.
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Außerdem ist vorgesehen, dass eine Führungsfläche des Führungskragens derart zu einer Längsmittelachse des Sicherungsringes verläuft, dass eine zwischen der Kolbenstange und dem Stützkolben übertragende Zugkraft zu einer radialen Ausweitung des Sicherungsringes führt. Dabei kann der Führungskragen einen gekrümmten Verlauf aufweisen oder kegelstumpfartig ausgebildet sein. Die dadurch gebildete schiefe Ebene sorgt dafür, dass die sphärisch ausgebildete Außenmantelfläche des Kugelkopfes bei einer entsprechenden Längsbewegung der Kolbenstange der in die Nut eingeschnappte Sicherungsring elastisch verformt wird. Somit wird ein sicherer axialer Formschluss zwischen der Kolbenstange und dem Stützkolben erreicht. Dabei kann der Sicherungsring eine, im Längsschnitt gesehen, C-förmige Querschnittsfläche aufweisen. Durch die gebogene Außenkontur des Sicherungsringes wird erreicht, dass Toleranzschwankungen, die am Kugelkopf und am Innendurchmesser des Stützkolbens auftreten können, ausgeglichen werden. In diesem Zusammenhang ist weiterhin vorgesehen, dass eine Außenkontur des C-förmigen Sicherungsringes zumindest im Bereich des Führungskragen mit einem Radius ausgebildet ist, der an einen Übergangsradius von dem Kugelkopf in einen Schaft der Kolbenstange angepasst ist. Wird somit während eines Verstellvorganges die Kolbenstange in eine ihrer maximalen Winkellagen verschwenkt, so legt sich der entsprechend ausgebildete Führungskragen im Wesentlichen flächig an den Übergangsradius an. Dabei kann der Sicherungsring, wie bereits dargelegt, mit seinem Führungskragen innerhalb des durch die zylindrische Innenmantelfläche der Aufnahme umschlossenen Zylinderraums ausführen.
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Schließlich soll der erfindungsgemäß ausgebildete Stützkolben für ein Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis vorgesehen sein, wobei das Pleuel zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist. Das Pleuel weist wenigstens eine hydraulische Stelleinrichtung zum Einstellen der effektiven Länge des Pleuels auf, die aus wenigstens einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten Exzenter, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume, in denen jeweils ein Stützkolben verschiebbar gelagert ist und wenigstens zwei Kolbenstangen, die jeweils einen entsprechenden Stützkolben mit dem Exzenter verbinden, besteht. Mit der entsprechenden Ausbildung des Stützkolbens und der mit diesem verbundenen Kolbenstange sind die oben genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche mit den abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles 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 das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Pleuels, wobei über einen mit Stützzylindern zusammenwirkenden Exzenterhebel die Lage eines Kolbenbolzen Lagers in Bezug auf das Pleuel veränderbar ist,
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2 im Längsschnitt eine Teilansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verbindung eines Stützkolbens mit einer Kolbenstange und
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3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherungsringes.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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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 nicht näher dargestellten Pleuelunterteil besteht. Das Pleueloberteil 3 und das Pleuelunterteil, die miteinander verschraubbar sind, bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 4, von dem in der Darstellung nur eine obere Hälfte sichtbar ist und das eine Längsmittelachse 5 aufweist. Das Pleuellagerauge 4 nimmt ein als Gleitlager ausgebildetes Pleuellager 6 auf, über welches das Pleuel 1 auf einem 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 ein nicht näher dargestellter Kolbenbolzen wiederum in einem innerhalb des Exzenterkörpers 8 exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenlager 9 anordenbar ist.
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Über einen drehbar im Kolbenbolzenlager 9 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.
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Der Exzenterkörper 8 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzenlager 9 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 als zweiarmigen Hebel ausgebildeter Exzenterhebel 10 drehfest verbunden, der diametral verlaufende Laschen 11 und 12 aufweist, wobei diese jeweils über Kolbenstangen 13 und 14 mit einfachwirkenden Stützkolben 15 und 16 verbunden sind. Dabei sind die Kolbenstangen 13 und 14 jeweils schwenkbar über einen Bolzen 17 mit den Laschen 11 und 12 verbunden. Die Stützkolben 15 und 16 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenterkörper 8 an, um diesem eine Verdrehung zu ermöglichen oder ihn in der jeweiligen Position abzustützen. Am Exzenterkörper 8 bewirken die mit unterschiedlichen Kraftrichtungen übertragenen Kräfte eine Drehbewegung. Somit kann die gezielte Drehbewegung des Exzenterkörpers 8 mit Hilfe der Stützkolben 15 und 16 wahlweise ermöglicht oder dessen unerwünschte Rückstellung vermieden werden.
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Die Stützkolben 15 und 16 bilden gemeinsam mit Zylinderbohrungen 18 und 19, in denen sie geführt sind, Stützzylinder 20 und 21, wobei jeder Stützzylinder 20 bzw. 21 einen Druckraum 22 bzw. 23 aufweist. In die Druckräume 22 bzw. 23 kann als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus dem im Pleuellagerauge 5 angeordneten Pleuellager 6 über Ölzulaufleitungen 24 und 25 strömen.
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Weiterhin geht von jedem der Druckräume 22 und 23 eine Ölrücklaufleitung 26 bzw. 27 aus, die beide in eine Ventilaufnahmebohrung 28 für ein Umschaltventil einmünden. Diese Ventilaufnahmebohrung 28 verläuft innerhalb des Pleuelschafts 2, quer zu diesem, also parallel zur Längsmittelachse 5 des Pleuellagerauges 4. Von dem Pleuellager 6 führt außerdem eine Fluidleitung 30 zu der Ventilaufnahmebohrung 28. In den Ölzulaufleitungen 24 und 25 ist jeweils ein Rückschlagventil 29 bzw. 31 angeordnet, das, ausgehend von dem Pleuellager 6, eine Strömung des Druckmittels in den jeweiligen Druckraum 22 bzw. 23 ermöglicht, jedoch eine Rückströmung verhindert. Weiterhin geht aus der Darstellung hervor, dass die beiden Kolbenstangen 13 und 14 jeweils gelenkig mit den Stützkolben 15 und 16 verbunden sind. Zu diesem Zweck weist die Kolbenstange 13 einen Kugelkopf 32 auf, der drehbar in einer Kugelkalotte 33 des Stützkolbens 15 geführt ist. In der gleichen Weise sind die Kolbenstange 14 und der Stützkolben 16 aneinander befestigt. Dabei ist an der Kolbenstange 14 ein Kugelkopf 34 vorgesehen, der an einer Kugelkalotte 35 geführt ist.
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Weiterhin ist in der 2 ein im Maßstab vergrößerter Ausschnitt aus der 1 dargestellt, der im Einzelnen zeigt, wie die Kolbenstange 14 mit dem Stützkolben 16 verbunden ist. Eine entsprechende Ausbildung der Verbindung kann auch für die Kolbenstange 13 und den Stützkolben 15 vorgesehen sein. Wie bereits im Zusammenhang mit der 1 erläutert, weist die Kolbenstange 14 an ihrem einen Ende den Kugelkopf 34 auf, der in der Kugelkalotte 35 drehbar geführt ist, so dass die Kolbenstange 14 und der Stützkolben 16 während einer Verschwenkung des Exzenterhebels 10 zueinander eine Schwenkbewegung ausführen können. Der Stützkolben 16 nimmt über eine Ringnut 36 einen Dichtring 37 auf, über den der Druckraum 23 abgedichtet ist.
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Gemeinsam mit einem zylindrischen Raum 38 bildet die Kugelkalotte 35 im Stützkolben 16 eine Aufnahme 39, wobei zunächst von einer Stirnseite des Stützkolbens 35 der zylindrische Raum 38 ausgeht, an den sich schließlich die Kugelkalotte 35 anschließt. Dabei weist der zylindrische Raum 38 einen Innendurchmesser auf, der größer ist als ein Innendurchmesser der Kugelkalotte 35 an einem Rand 40. An einem von der Kugelkalotte 35 abgewandten Ende ist an einer Innenmantelfläche 41 des zylindrischen Raumes 38 eine umlaufende Nut 42 vorgesehen, die einen Schenkel 43 eines elastisch ausgebildeten Sicherungsringes 44 aufnimmt.
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Der Sicherungsring 44 weist eine Querschnittsfläche 45 auf, die C-förmig verläuft, wobei an seinem von dem Schenkel 43 abgewandten Ende ein gekrümmt ausgebildeter Führungskragen 46 angeordnet ist. Ausgehend von einer Längsmittelachse des Sicherungsringes 44 weist der Schenkel 43 eine größere radiale Erstreckung auf als der Führungskragen.
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An dem Führungskragen 46 stützt sich der sphärische Kugelkopf 34 ab. Wenn die Kolbenstange 14 und der Stützkolben 16 gleichachsig zueinander verlaufen, liegt der Führungskragen 46 im Wesentlichen im Linienkontakt am Kugelkopf 34 an. Wenn, wie dargestellt, die beiden Bauelemente zueinander eine Winkellage einnehmen, so legt sich der gekrümmte Führungskragen 46 an einen Übergangsradius 47 zwischen dem Kugelkopf 34 und einem Schaft 48 der Kolbenstange 14 an. Wie weiterhin der 2 in Verbindung mit der 3 entnommen werden kann, kann der elastisch ausgebildete Sicherungsring 44 mit einem Schlitz 49 versehen sein, der an einer Stelle von dessen Umfang vorgesehen ist und beispielsweise in axialer Richtung des Sicherungsrings 44 verläuft.
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Der geschlitzte Sicherungsring 44 wird beim Montagevorgang zunächst auf der Kolbenstange 14 angeordnet, dann wird die Kolbenstange 14 mit ihrem Kugelkopf 34 in die Kugelkalotte 35 eingesetzt und schließlich wird der Sicherungsring 44 mit seinem Schenkel 43 in die umlaufende Nut des Stützkolbens 16 eingeschnappt, Alternativ zu dieser Lösung besteht auch die Möglichkeit, den Sicherungsring 44 umlaufend, also ohne Schlitz auszubilden, wobei dieser aufgrund seiner Elastizität in die umlaufende Nut einschnappen lässt. Wie der 2 zu entnehmen ist, wird durch den mit einem größeren Innendurchmesser versehenen zylindrischen Raum 38 erreicht, dass der Führungskragen 46 bei Schwenkbewegungen der Kolbenstange 16 gegenüber dem Stützkolben 16 radial ausweichen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleuelschaft
- 3
- Pleueloberteil
- 4
- Pleuellagerauge
- 5
- Längsmittelachse von 4
- 6
- Pleuellager
- 7
- Pleuelauge
- 8
- Exzenterkörper
- 9
- Kolbenbolzenlager
- 10
- Exzenterhebel
- 11
- Lasche
- 12
- Lasche
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Kolbenstange
- 15
- Stützkolben
- 16
- Stützkolben
- 17
- Bolzen
- 18
- Zylinderbohrung
- 19
- Zylinderbohrung
- 20
- Stützzylinder
- 21
- Stützzylinder
- 22
- Druckraum
- 23
- Druckraum
- 24
- Ölzulaufleitung
- 25
- Ölzulaufleitung
- 26
- Ölrücklaufleitung
- 27
- Ölrücklaufleitung
- 28
- Ventilaufnahmebohrung
- 29
- Rückschlagventil
- 30
- Fluidleitung
- 31
- Rückschlagventil
- 32
- Kugelkopf von 13
- 33
- Kugelkalotte von 15
- 34
- Kugelkopf von 14
- 35
- Kugelkalotte von 16
- 36
- äußere Ringnut in 16
- 37
- Dichtring
- 38
- zylindrischer Raum von 39
- 39
- Aufnahme
- 40
- Rand von 35
- 41
- Innenmantelfläche von 38
- 42
- umlaufende Nut von in 38
- 43
- Schenkel von 44
- 44
- Sicherungsring
- 45
- Querschnittsfläche von 44
- 46
- Führungskragen von 44
- 47
- Übergangsradius von 14
- 48
- Schaft von 14
- 49
- Schlitz in 44
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014007050 A1 [0006, 0010]
