DE102017107067A1

DE102017107067A1 - Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnis einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102017107067A1
Application number: DE102017107067.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schaffrath; Christopher Marten; Peter Methfessel
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2017-06-29
Also published as: US20180328275A1; CN108691646A; DE102018107223A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst einen Pleuelkopf (1) mit einem Exzenterlager (2), einen Exzenter (3), der im Exzenterlager (2) drehbar gelagert ist und ein Kolbenbolzenlager (3) umfasst, einen Kolbenbolzen (5), der drehbar im Kolbenbolzenlager gelagert ist, so dass durch Drehen des Exzenters die Lage des Kolbenbolzens relativ zum Pleuelkopf (1) aus einem oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und umgekehrt verstellbar ist, und eine Arretiervorrichtung (8) zum Arretieren des Exzenters im oberen Totpunkt

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine.
Eine Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine offenbart die DE102014004987 A1 . Die Vorrichtung umfasst ein Pleuel. Im Pleuelkopf ist ein Exzenter vorgesehen. Der Exzenter ist mittels zwei Hebeln begrenzt drehbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnis einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Pleuelkopf mit einem Exzenterlager, einen Exzenter, der im Exzenterlager drehbar gelagert ist und ein Kolbenbolzenlager umfasst, einen Kolbenbolzen, der drehbar im Kolbenbolzenlager gelagert ist, so dass durch Drehen des Exzenters die Lage des Kolbenbolzens relativ zum Pleuelkopf aus einem oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und umgekehrt verstellbar ist, und eine Arretiervorrichtung zum Arretieren des Exzenters im oberen Totpunkt.
Der Kolbenbolzen befindet sich im oberen Totpunkt, wenn der Exzenter eine Stellung einnimmt, in dem sich der Kolbenbolzen bezogen auf den Pleuelkopf in seiner obersten Stellung befindet, also von einem Pleuelschaftansatz maximal entfernt ist, und im unteren Totpunkt, wenn der Exzenter eine Stellung einnimmt, in dem sich der Kolbenbolzen bezogen auf den Pleuelkopf in seiner untersten Stellung befindet, also von einem Pleuelschaftansatz minimal entfernt ist. Dabei sollen, bezogen auf die Stellung des Exzenters, Abweichungen von ±20°, vorzugsweise von ±10°, besonders bevorzugt von ±5° noch als im oberen bzw. im unteren Totpunkt gelten.
Der Abstand zwischen den beiden Totpunkten bestimmt den Bereich, in dem sich das Verdichtungsverhältnis ändern lässt. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Kolbenbolzen sowohl den oberen als auch den unteren Totpunkt einnehmen kann, lässt sich die Exzentrizität des Exzenters vorteilhaft ausnutzen und das Verdichtungsverhältnis über einen weiten Bereich einstellen. Im Vergleich zu Lösungen, in denen sich der Exzenter nur in einem kleinen Winkelbereich verstellen lässt, ermöglicht die Erfindung einen vergleichbaren ± bei geringerer Exzentrizität, was beispielsweise den Einsatz kleinerer und/oder leichterer Bauteile ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung, dass Kräfte, die auf die Vorrichtung im Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine während einer Verbrennung wirken, gut aufgenommen werden, da im oberen und unteren Totpunkt ein durch die Exzentrizität zwischen Kolbenbolzen und Exzenter gebildeter Hebel in Richtung der einwirkenden Kräfte orientiert ist. Die geringere Belastung ermöglicht eine vorteilhafte Auslegung der Vorrichtung. Die Arretiervorrichtung ermöglicht die Arretierung der Lage des Exzenters sowie die Arretierung der Lage des Kolbenbolzens und damit des Verdichtungsverhältnisses auch bei von außen einwirkenden Kräften.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Vorrichtung als passives System. Das heißt, dass die Drehung des Exzenters und damit des Kolbenbolzens allein durch während des Betriebs auf die Vorrichtung wirkende Beschleunigungs- oder Trägheitskräfte bewirkt wird.
Der Exzenter ist um mindestens 140°, vorzugsweise um mindestens 160° und besonders bevorzugt um mindestens 180° drehbar. Durch den weiten Winkelbereich lässt sich ein vorteilhafter großer Hub erreichen. Im Falle von 180° ist ein Hub mit einer Länge der doppelten Exzentrizität möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Exzenter um 360°, also vollständig, drehbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform umfasst einen Freilauf, wobei der Freilauf zwischen Exzenter und Pleuelkopf angeordnet ist und ein Drehen des Exzenters in eine der beiden möglichen Richtungen blockiert. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Ausnutzung von während des Einsatzes in der Verbrennungskraftmaschine auf die Vorrichtung wirkenden Kräfte zur Verstellung der Lage des Kolbenbolzens in den unteren und/oder oberen Totpunkt.
Ein erfindungsgemäßer Pleuel umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfasst einen erfindungsgemäßen Pleuel.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
2 eine Ausführungsform eines Freilaufes,
3 eine Schnittansicht der Vorrichtung,
4 eine Seitenansicht der Vorrichtung, und
5 eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit einem Pleuel mit einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 1, 2 und 4 zeigen verschiedene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine.
Die Vorrichtung umfasst einen Pleuelkopf 1 mit einem Exzenterlager 2, einen Exzenter 3, der im Exzenterlager 2 drehbar gelagert ist und ein Kolbenbolzenlager 4 umfasst, und einen Kolbenbolzen 5, der drehbar im Kolbenbolzenlager 4 gelagert ist. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch Drehen des Exzenters 3 die Lage des Kolbenbolzens 5 relativ zum Pleuelkopf 1 aus einem oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und umgekehrt verstellbar ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Arretiervorrichtung 8 zum Arretieren des Exzenters im oberen Totpunkt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Arretiervorrichtung 8 zudem ausgebildet, den Exzenter im unteren Totpunkt zu arretieren. Für eine Schmierung der Vorrichtung sowie einer Kühlung des Kolbens ist ein Ölführungssystem 12 mit mehreren für die Ölführung bestimmten Kanälen vorgesehen.
Der Exzenter 3 ist vollständig, also um 360°, drehbar. Die Verstellung der Lage des Kolbenbolzens 5 vom unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt oder umgekehrt erfolgt über eine Drehung des Exzenters um 180°. Die Drehung des Exzenters wird im Einsatz der Vorrichtung in der Brennkraftmaschine durch während des Betriebs auf die Vorrichtung wirkende Kräfte bewirkt. Um eine gezielte Verstellung von einem Totpunkt in den anderen Totpunkt zu ermöglichen, umfasst die Vorrichtung einen Freilauf 6. Der Freilauf 6 ist zwischen Exzenter 3 und Pleuelkopf angeordnet 1 und blockiert ein Drehen des Exzenters in eine der beiden möglichen Richtungen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Freilauf 6 eine Vielzahl von Klemmkörpern 11, die sich bei einer Drehbewegung des Exzenters 3 in die blockierte Drehrichtung aufstellen und den Pleuelkopf 1 und den Exzenter 3 verklemmen, siehe auch 2. Bei einer Drehung in die andere Richtung legen sich die Klemmkörper 11 unter Aufhebung der Klemmwirkung.
Die Arretiervorrichtung 8 umfasst einen Schieber 13. Der Schieber 13 ist aus einer ersten fixierten Stellung in eine zweite fixierte Stellung und umgekehrt bewegbar. In der ersten Stellung blockiert der Schieber 13 eine Drehung aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt. In der zweiten Stellung blockiert der Schieber 13 eine Drehung aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist am Exzenter 3 an beiden Enden jeweils ein Steuerkranz 14a, 14b vorgesehen. Die Steuerkränze 14a, 14b sind hier um 180° gegeneinander versetzt. Je nach Stellung des Schiebers 13 trifft bei Drehung des Exzenters 3 ein Anschlag 15 des Steuerkranzes 14a, 14b auf einen der an beiden Seiten vorgesehenen Vorsprünge 16a, 16b des Schiebers 13, wodurch die Stellung des Exzenters im unteren oder oberen Totpunkt blockiert ist, siehe 4. Eine Drehung in die Gegenrichtung ist durch den Freilauf 6 unterbunden. Durch Bewegen des Schiebers 13 in die andere Stellung wird die Blockade auf einer Seite aufgehoben und der Vorsprung 16a, 16b auf der anderen Seite des Schiebers 13 in Blockadestellung gebracht. Der Exzenter 3 kann sich bis zur Einnahme des anderen Totpunktes drehen, bis eine weitere Drehung durch einen Vorsprung 16a, 16b blockiert wird.
Die Verstellung des Schiebers 13 in die erste oder zweite Stellung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Schalters 17 des Schiebers 13. Der Schalter 17 lässt sich beispielsweise mechanisch mittels eines im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Mechanismus betätigen. Der Schalter 17 bzw. der Schieber 13 lässt sich darüber hinaus auch axial betätigen. Die Umsetzung erfolgt beispielsweise über eine Kulisse oder elektromagnetisch.
Um den Übergang insbesondere aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt zu dämpfen, umfasst die Vorrichtung eine Dämpfung 7. Die Dämpfung 7 ist hier als Radialdämpfer in Form eines am Pleuelkopf 1 angebrachten Zahnrads ausgebildet, das in einen am Exzenter ausgebildeten Zahnkranz 18 eingreift. Der Zahnkranz bestimmt, in welchem Winkelbereich eine Dämpfung der Drehbewegung des Exzenters 3 erfolgen soll. Hier erfolgt eine Dämpfung bei einer Verstellung des Exzenters aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt. Dies ist vorteilhaft, da beim Übergang in den unteren Totpunkt beim Einsatz der Vorrichtung in einer Verbrennungskraftmaschine während der Verbrennung über einen mit den Kolbenbolzen 5 verbundenen Kolben 19 hohe Kräfte auf die Vorrichtung wirken die möglicherweise zu einer zu hohen Beschleunigung führen würden. Andere Dämpfungsmechanismen sind ebenfalls möglich. In diesem Ausführungsbeispiel sind Zahnkranz 18 und Steuerkranz 14a im Sinne einer Bauteilreduktion vorteilhafterweise in einem Kranz integriert.
Die 5 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit einem Pleuel, das die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst neben dem Pleuel, von dem der Pleuelkopf 1 und ein Pleuelschaftansatz 10 dargestellt ist, ein mit dem Pleuel verbundenen Kolben 19 und einen Zylinder 20, in dem der Kolben 19 angeordnet ist. Zudem zeigt 5 eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle eines Schiebers 8 ist ein Schalter 21 vorgesehen. Am Exzenter sind zwei Anschläge 22a, 22b vorgesehen, die um 180° gegeneinander versetzt sind. Eine Arretierung der Drehung des Exzenters in dem jeweiligen Totpunkt wird dadurch bewirkt, dass ein Anschlag 22a, 22b gegen den Schalter 21 anschlägt. Eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung wird durch den Freilauf 6 verhindert. Durch Betätigung des Schalters wird der Schalter wegbewegt, wodurch die Arretierung aufgehoben ist und der Exzenter 3 sich weiter drehen kann.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Drehung des Exzenters auf 180° beschränkt, wobei bei 0° der Exzenter den oberen Totpunkt und bei 180° der Exzenter den unteren Totpunkt einnimmt. Die Beschränkung der Drehung kann durch geeignete Anschläge erfolgen. In dieser Ausführungsform ist der Exzenter in beide Richtungen drehbar. Die gewünschte Drehrichtung wird über einen schaltbaren Freilauf eingestellt. Je nach Schaltung des Freilaufs kann der Exzenter vom oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt und umgekehrt wechseln. Die Drehung wird bewirkt durch die während des Betriebs auf die Vorrichtung einwirkenden Kräfte.
Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Drehung des Exzenters auf 160° oder auf 140° beschränkt ist. Obwohl hier die volle Exzentrizität nicht ausgenutzt wird, bieten diese Ausführungsformen aufgrund einer voreilhaften Länge des Hubes dennoch Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen, bei denen eine Drehung des Exzenters auf einen wesentlich kleineren Winkelbereich beschränkt ist.
Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung oder der erfindungsgemäße Pleuel ist in ihrem Einsatz nicht auf bestimmte Verbrennungskraftmaschine beschränkt. Beispielsweise eignet sich die Vorrichtung für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftfahrzeuge, für Nutzfahrzeuge oder für den Einsatz in Großmotoren, wie Schiffsmotoren. Ferner ist auch ein Einsatz in Baumaschinen oder Stationärmotoren zur Energieerzeugung denkbar. Insofern ist der erfindungsgemäße Pleuel auch in jeglicher Hubkolbenmaschine, wie etwa Verdichtern oder Kompressoren, einsetzbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014004987 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Pleuelkopf (1) mit einem Exzenterlager (2), einen Exzenter (3), der im Exzenterlager (2) drehbar gelagert ist und ein Kolbenbolzenlager (4) umfasst, einen Kolbenbolzen (5), der drehbar im Kolbenbolzenlager (4) gelagert ist, so dass durch Drehen des Exzenters (3) die Lage des Kolbenbolzens (5) relativ zum Pleuelkopf (1) aus einem oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und umgekehrt verstellbar ist, und eine Arretiervorrichtung (8) zum Arretieren des Exzenters (3) im oberen Totpunkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Exzenter (3) um mindestens 140°, vorzugsweise um mindestens 160° und besonders bevorzugt um mindestens 180° drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Drehen des Exzenters (3) passiv erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Freilauf (6), wobei der Freilauf (6) zwischen Exzenter (3) und Pleuelkopf (1) angeordnet ist und ein Drehen des Exzenters (3) in eine der beiden möglichen Richtungen blockiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Dämpfung (7), die eine Drehung des Exzenters (3) aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt zumindest in einem Abschnitt dämpft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arretiervorrichtung (8) einen Schieber (13) aufweist, der aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegbar ist, und in einer ersten Stellung eine Drehung des Exzenters (3) aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt und/oder in der zweiten Stellung eine Drehung des Exzenters (3) aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt blockiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schieber (13) mechanisch betätigbar ist.
Pleuel mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verbrennungskraftmaschine mit einem Pleuel nach Anspruch 8.