DE102017107703A1

DE102017107703A1 - Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange in Abhängigkeit des Versorgungsdrucks

Info

Publication number: DE102017107703A1
Application number: DE102017107703.0A
Authority: DE
Inventors: Malte Heller
Original assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2018188792A1; CN110785550B; CN110785550A; AT519800A3; AT519800B1; US11047299B2; AT519800A2; US20200158014A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor umfassend mindestens eine längenverstellbare Pleuelstange, die in mindestens zwei Längenstellungen arretierbar ist, mindestens eine erste Ölpumpe zur Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange, und eine Steuereinheit, die bei einer Änderung eines Ölversorgungsdrucks der Pleuelstange für ein Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange sorgt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltzeiten beim Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange zu verkürzen. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine zweite Ölpumpe vorgesehen ist, die bei Bedarf zur Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange zuschaltbar ist oder die Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange übernimmt, und die zweite Ölpumpe zum Zeitpunkt der Zuschaltung zur Ölversorgung der Pleuelstange bzw. zum Zeitpunkt der Übernahme der Ölversorgung der Pleuelstange bereits mit einem festgelegten Förderstrom fördert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor umfassend mindestens eine längenverstellbare Pleuelstange, die in mindestens zwei verschiedenen Längenstellungen arretierbar ist, mindestens eine erste Ölpumpe zur Ölversorgung der Pleuelstange, und eine Steuereinheit, die bei einer Änderung eines Ölversorgungsdrucks der Pleuelstange für ein Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange sorgt.
Der thermische Wirkungsgrad η_TH eines Verbrennungsmotors, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen V_h + Kompressionsvolumen V_C)/Kompressionsvolumen V_C). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt auch der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte (ε = 10 - 14) noch relativ stark ausgeprägt.
In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden. Beispielsweise führt ein zu hohes Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren zum Klopfen. Hierbei entzündet sich das Gemisch durch die Druck- und Temperaturerhöhung bei der Verdichtung und nicht durch den Zündfunken. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu unruhigem Lauf, sondern kann auch Bauteilschäden am Motor verursachen.
Das Verdichtungsverhältnis, ab dem Klopfen eintritt, ist u.a. vom Betriebspunkt (Drehzahl n, Temperatur T, Drosselklappenstellung etc.) des Motors abhängig. Im Teillastbereich ist eine höhere Verdichtung möglich. Daher gibt es die Bestrebung, das Verdichtungsverhältnis dem jeweiligen Betriebspunkt anzupassen. Hierzu gibt es verschiedene Entwicklungsansätze, bei denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es Lösungen für eine kontinuierliche und eine diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des CO₂-Ausstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und im CO₂-Ausstoß.
Ein solches VCR-Pleuel (variable compression ratio) ist zum Beispiel aus der WO2015/05558282 A2 bekannt.
Gemäß der WO 2015/055582 A2 wird das Verdichtungsverhältnis durch eine Veränderung der Pleuellänge verstellt. Die Pleuellänge beeinflusst das Kompressionsvolumen. Das Hubvolumen ist durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben. Eine kurze Länge der Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Länge der Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen (Kurbelwelle, Zylinderkopf, Ventilsteuerung etc.). Bei der bekannten Vorrichtung wird die Pleuellänge hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert. Die gesamte Pleuelstange ist mehrteilig ausgeführt, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus erfolgt. Die Pleuelstange beinhaltet einen doppelwirkenden Hydraulikzylinder. Das kleine Pleuelauge (Kolbenbolzen) ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil), an der ein Kolben angeordnet ist. Der Kolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem großen Pleuelauge (Kurbelwellenzapfen) angeordnet ist. Der Kolben trennt den Zylinder in zwei Kammern (obere und untere Druckkammer). Diese beiden Kammern werden über Rückschlagventile (RSV1 und RSV2) mit Motoröl versorgt. Ist die Pleuelstange in der langen Position, befindet sich kein Öl in der oberen Druckkammer. Die untere Druckkammer hingegen ist vollständig mit Öl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der Langstellung wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt des Kolbens mit einem oberen Anschlag aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf die ölgefüllte untere Kammer übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an. Die Länge der Pleuelstange ändert sich nicht. Die Pleuelstange ist in dieser Richtung hydraulisch gesperrt. In der Kurzstellung drehen sich die Verhältnisse um. Die untere Kammer ist leer, die obere ist mit Öl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in der oberen Kammer. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen. Die Länge der Pleuelstange kann zweistufig verstellt werden, indem eine der beiden Kammern entleert wird. Hierbei wird jeweils eines der beiden Zulaufrückschlagventile (RSV1 und RSV2) durch einen zugeordneten Rücklaufkanal (RL1 und RL2) überbrückt. Durch diesen Rücklaufkanal kann Öl abfließen. Das jeweilige Rückschlagventil verliert also seine Wirkung. Die Ölversorgung erfolgt durch die Schmierung des Pleuellagers. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zur Pleuelstange erforderlich. Die Schaltung erfolgt durch gezieltes Entleeren einer der beiden Druckkammern unter Ausnutzung der an der Pleuelstange wirkenden Massen- und Gaskräfte, wobei die jeweils andere Druckkammer durch ein Zulaufrückschlagventil mit Öl versorgt und hydraulisch gesperrt wird. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch ein Steuerventil geöffnet und geschlossen, wobei immer genau ein Rücklaufkanal offen, der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung der beiden Rücklaufkanäle wird hydraulisch durch den Versorgungsdruck der Motorölpumpe angesteuert. Der Versorgungsdruck der Motorölpumpe wird über die Drehzahl der Motorölpumpe reguliert. Daher erfolgt eine Druckänderung des Versorgungsdrucks eher träge und es können keine kurzen Schaltzeiten realisiert werden. Dadurch wird die Effizienz des VCR-Systems eingeschränkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine oben beschriebene Vorrichtung bereitzustellen, mit der kurze Schaltzeiten zur Längenänderung der effektiven Länge der Pleuelstange ermöglicht werden.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine zweite Ölpumpe vorgesehen ist, die bei Bedarf zur Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstang zuschaltbar ist oder die Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange übernimmt und wobei die zweite Ölpumpe zum Zeitpunkt der Zuschaltung zur Ölversorgung der Pleuelstange bzw. zum Zeitpunkt der Übernahme der Ölversorgung der Pleuelstange mit einem festgelegten Förderstrom fördert.
Ein Zuschalten der zweiten Ölpumpe zur Ölversorgung der Pleuelstange bzw. die Übernahme der Ölversorgung durch die zweite Ölpumpe führt daher zu einer sofortigen Erhöhung des Ölversorgungsdruckes und somit zu einer sofortigen Längenverstellung der effektiven Länge der Pleuelstange. Dadurch werden die erforderlichen kurzen Schaltzeiten erreicht. Dies führt zu verbesserten Abgaswerten und einer Kostenreduktion. Zudem wirken bei der schnellen Schaltung weniger Störgrößen, wodurch eine schnellere Signalweitergabe möglich ist, was sich wiederum positiv auf die komplette Regelung und damit letztlich auch auf das gesamte Fahrverhalten auswirkt.
Um möglichst kurze Schaltzeiten zu erreichen kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der festgelegte Förderstrom der zweiten Ölpumpe größer null ist, und bevorzugt mindestens 50 % des maximalen Förderstroms der zweiten Ölpumpe beträgt.
In einer Variante der Erfindung können die erste Ölpumpe und die zweite Ölpumpe als zweigeteilte Pumpe ausgebildet sein. Beide Pumpen sind daher in einem Gehäuse angeordnet, wodurch eine Platzeinsparung ermöglicht wird.
In einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung hinter der ersten und der zweiten Ölpumpe ein erstes Überdruckventil angeordnet ist. Durch dieses Überdruckventil wird ein Schutz vor Überdruckspitzen beim Umschaltvorgang, d.h. beim Zuschalten der zweiten Ölpumpe, ermöglicht.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Ölpumpe bei Betrieb der Vorrichtung dauerhaft fördert. Vorteilhafterweise fördert die zweite Ölpumpe, wenn sie nicht zur ersten Ölpumpe zugeschaltet ist, im Kreis und pumpt Motoröl aus der Ölwanne zurück in die Ölwanne. Die zweite Ölpumpe ist also im Dauerbetrieb und liefert beim Zuschalten zur ersten Ölpumpe sofort den eingestellten Förderstrom, wodurch ein sofortiger Druckanstieg erzeugt wird und ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Längenstellungen der Pleuelstange erreicht wird.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die zweite Ölpumpe nur bei Bedarf aktivierbar ist. Dadurch entsteht kein Leistungsverlust durch den Dauerbetrieb der zweiten Ölpumpe.
Bei dieser Variante kann die Steuereinheit derart ausgebildet sein, dass sie einen Umschaltvorgang zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange prognostiziert und die zweite Ölpumpe vor dem Umschaltvorgang aktiviert, sodass zum Zeitpunkt des Umschaltens die festgelegte Förderleistung erreicht ist. Auch hierdurch werden die erwünschten kurzen Schaltzeiten zum Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange und somit zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses erreicht.
Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit über einen Vorhersagealgorithmus verfügen, der durch Extrapolation von Motorkennwerten des Verbrennungsmotors den Einschaltzeitpunkt der zweiten Ölpumpe bestimmt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die zweite Ölpumpe beim Zuschalten zur ersten Ölpumpe mit der festgelegten Förderleistung fördert und somit die erwünschte kurze Umschaltzeit erreicht wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass in Strömungsrichtung hinter der ersten und der zweiten Ölpumpe mindestens ein zuschaltbares zweites Überdruckventil vorgesehen ist. Durch dieses zweite Überdruckventil kann ein weiteres Druckniveau in der Vorrichtung eingestellt werden, sodass eine weitere Längenstellung der Pleuelstange eingestellt werden kann, wenn die Pleuelstange entsprechend ausgebildet ist. Durch weitere Überdruckventile können weitere Druckniveaus und somit weitere Längenstellungen der Pleuelstange ermöglicht werden, sofern die Pleuelstange entsprechend ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise kann das zweite Überdruckventil mittels eines Wegeventils zuschaltbar sein. Dadurch wird eine einfache Ausgestaltung ermöglicht.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Pleuelstange einen Teleskopmechanismus mit mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben aufweist. Mittels dieses Teleskopmechanismus ist eine einfache Längenverstellung der Pleuelstange in die gewünschten Längenstellungen möglich.
In einer besonders einfachen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Ölpumpe nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten. Die beiden Ölpumpen können also als Zahnradpumpe, Kolbenpumpe oder Schneckenpumpe ausgebildet sein. Die Pumpen haben dann die erforderliche steile Kennlinie und eine einfache Ausgestaltung.
Eine Platzeinsparung und eine effiziente Nutzung der Bauteile bei gleichzeitig kurzen Schaltzeiten kann dadurch erreicht werden, dass die erste Ölpumpe die Motorölpumpe des Verbrennungsmotors ist.
Wenn die erste Ölpumpe die Motorölpumpe ist, ist vorteilhafterweise zwischen der zweiten Ölpumpe und einer Ölversorgung für den Verbrennungsmotor ein Rückschlagventil angeordnet. Dadurch wird vermieden, dass der Öldruck im Verbrennungsmotor bei Zuschalten der zweiten Ölpumpe stark steigt.
Alternativ könnte in diesem Fall vorgesehen werden, dass der Förderstrom der ersten Ölpumpe, d.h. der Motorölpumpe, in Richtung der mindestens einen Pleuelstange bei Zuschalten des Förderstroms der zweiten Ölpumpe abgeschaltet wird. Dann ist nur die zweite Ölpumpe für die Ölversorgung der Pleuelstange zuständig, sodass auch in diesem Fall eine Erhöhung des Öldrucks im Verbrennungsmotor mit den damit verbundenen Effizienzverlusten vermieden wird.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Hubkolben mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis. Auch hier ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltzeiten bei der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses zu verkürzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verbrennungsmotor eine oben beschriebene Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange umfasst.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor,
2 ein Schaltbild für ein Detail einer Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange des Verbrennungsmotors aus 1,
3 ein Diagramm, das den durch die Ölpumpen erzeugten Druck in Abhängigkeit des Volumenstroms für die Vorrichtung aus 2 zeigt,
4 ein Schaltbild für ein Detail einer Variante der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange,
5 ein Diagramm, das den durch die Ölpumpen erzeugten Druck in Abhängigkeit des Volumenstroms für die Vorrichtung aus 4 zeigt,
6 ein Schaltbild für ein Detail einer weiteren Variante der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange, und
7 ein Schaltbild für ein Detail noch einer weiteren Variante der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange.

In 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor 1 dargestellt, beispielsweise ein Ottomotor. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1 - 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1, 6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1, 8.2 und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 gelagert und so mit den zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden.
Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1, 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt. Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg H_K vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1, 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg H_K . Die verbleibende Höhe H_C (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2 oder 3.3 bzw. dem zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg H_K das Hubvolumen V_h und aus der verbleibenden Kompressionshöhe H_C errechnet sich das Kompressionsvolumen V_c . Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen V_c maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen V_h und V_c berechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε. ε errechnet sich aus der Summe des Hubvolumens V_h und des Kompressionsvolumens V_c dividiert durch das Kompressionsvolumen V_c . Heute übliche Werte des Verdichtungsverhältnisses ε für Ottomotoren liegen zwischen 10 und 14.
Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (n, T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind die Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 erfindungsgemäß in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann z.B. im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich. Dazu umfasst jede Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3 ein erstes Stangenteil 17.1, 17.2, 17.3 und ein zweites Stangenteil 18.1, 18.2, 18.3. Am oberen Ende jedes ersten Stangenteils 17.1, 17.2, 17.3 ist jeweils das kleine Pleuelauge 9.1, 9.2, 9.3 ausgebildet. Jedes zweite Stangenteil 18.1, 18.2, 18.3 ist in seinem unteren Bereich mit je einer unteren Lagerschale 19.1, 19.2, 19.3 verbunden. Jede untere Lagerschale 19.1, 19.2, 19.3 umgibt zusammen mit dem unteren Bereich des jeweiligen zweiten Stangenteils 18.1, 18.2, 18.3 das besagte große Pleuelauge 8.1, 8.2, 8.3. Die unteren Lagerschalen 19.1, 19.2, 19.3 und die zweiten Stangenteile, 18.1, 18.2, 18.3 werden in üblicher Weise mittels Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Schrauben, miteinander verbunden. Das untere Ende jedes ersten Stangenteils 17.1, 17.2, 17.3 ist mit einem Verstellkolben (nicht dargestellt) versehen, der in einer im jeweiligen zweiten Stangenteil 18.1, 18.2, 18.3 ausgebildeten Kolbenbohrung (nicht dargestellt) verschiebbar geführt ist. Der Verstellkolben und die Kolbenbohrung bilden einen Teleskopmechanismus zur Veränderung der effektiven Länge der jeweiligen Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3 aus. Dieser Teleskopmechanismus ist Bestandteil einer Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der jeweiligen Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3, mit der die Pleuelstange in mindestens zwei verschiedenen Längenstellungen arretierbar ist. Zu der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange gehört auch eine Steuereinheit, die bei einer Änderung eines Ölversorgungsdrucks zu einem Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange sorgt. Der Ölversorgungsdruck wird durch mindestens eine Ölpumpe erzeugt.
Es ist auch denkbar, dass die Pleuelstange einen anderen Mechanismus zur Längenverstellung aufweist und dann nicht mit dem oben beschriebenen Teleskopmechanismus ausgestattet ist.
In 2 ist ein Detail der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange gezeigt, nämlich zwei Ölpumpen zur Erzeugung eines Ölversorgungsdrucks für die Pleuelstange. Eine erste Ölpumpe 20 fördert einen ersten Förderstrom V1 von Motoröl aus der Ölwanne 22 in eine ersten Leitung 25 in Richtung der Pleuelstange und der Lager. Die erste Ölpumpe 20 ist bei Betrieb des Verbrennungsmotors 1 dauerhaft in Betrieb. Parallel zur ersten Ölpumpe 20 ist eine zweite Ölpumpe 21 angeordnet. Über ein erstes Wegeventil 23 kann die zweite Ölpumpe 21 parallel zur ersten Ölpumpe 20 geschalten werden und fördert dann einen zweiten Förderstrom V2 ebenfalls in die erste Leitung 25 in Richtung der Pleuelstange wodurch der Ölversorgungsdruck für die Pleuelstange erhöht wird. Ferner ist die zweite Ölpumpe 21 über eine zweite Leitung 24 mit der Ölwanne 22 verbunden. Im dargestellten Fall ist das erste Wegeventil 23 so geschaltet, dass die zweite Ölpumpe 21 im Betrieb Öl aus der Ölwanne 22 über die Leitung 24 zurück in die Ölwanne 22 und somit im Kreis fördert. In einer ersten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange ist die zweite Ölpumpe 21 bei Betrieb der Vorrichtung ebenfalls dauerhaft im Betrieb. Bei Betrieb des Verbrennungsmotors 1 auf einem niedrigen Druckniveau (niedriger Ölversorgungsdruck) ist die zweite Ölpumpe 21 nicht an der Ölversorgung der Pleuelstange beteiligt. Sie fördert, wie in 2 dargestellt, das Motoröl im Kreis aus der Ölwanne 22 und über die Leitung 24 zurück in die Ölwanne 22. Ändert sich nun die Last im Verbrennungsmotor 1, so dass das Verdichtungsverhältnis im Hubkolben verändert werden soll, so wird die zweite Ölpumpe 21 über das Wegeventil 23 parallel zur ersten Ölpumpe 20 geschalten, sodass der Förderstrom V2 der zweiten Ölpumpe 21 zum Förderstrom V1 der ersten Ölpumpe 20 zugeschalten wird und sich der Ölversorgungsdruck in der ersten Leitung 25 schlagartig erhöht. Dies ist in 3 dargestellt. Entsprechend der Verbrauchskennlinie (Pleuelstange und Lager) steigt dann der Systemdruck. Die erste Ölpumpe 20 fördert mit einem ersten Förderstrom V1, was in der Versorgungsleitung 25 zu einem ersten Versorgungsdruck p₁ führt. Die zweite Ölpumpe 21 fördert mit einem zweiten Förderstrom V2. Wird nun in die zweite Ölpumpe 21 über das Wegeventil 23 parallel zur ersten Ölpumpe 20 geschalten, so nimmt der Förderstrom zu und beträgt nun V3 = V1 + V2. Dadurch steigt auch der Druck in der Versorgungsleitung 25 auf den Druck p₂ . Durch diese Druckerhöhung erkennt die Steuereinheit (nicht dargestellt), dass die Pleuelstange von einer ersten Längenstellung in eine zweite Längenstellung überführt werden soll und leitet einen entsprechenden Umschaltvorgang ein. Ein erstes Überdruckventil 26, das in Strömungsrichtung hinter der ersten Ölpumpe 20 und der zweiten Ölpumpe 21 angeordnet ist, schützt vor Druckspitzen beim Umschaltvorgang. Der Leistungsverlust durch den Dauerbetrieb der zweiten Ölpumpe 21 ist zu vernachlässigen. Insgesamt lassen sich mit dieser Vorrichtung gegenüber einer Drehzahlregelung der Ölpumpe sehr kurze Schaltzeiten verwirklichen.
Die erste Ölpumpe 21 und die zweite Ölpumpe 22 können auch als zweigeteilte Pumpe ausgebildet sein und die Versorgung der Pleuelstange übernehmen. Sowohl die erste Ölpumpe 20 als auch die zweite Ölpumpe 21 arbeiten vorzugsweise nach dem Verdrängungsprinzip und sind beispielsweise als Zahnradpumpe, Kolbenpumpe oder Schneckenpumpe ausgebildet, mit entsprechend steilen Kennlinien.
In einer zweiten, nicht dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge der Pleuelstange wird die zweite Ölpumpe 21 nur bei Bedarf zugeschalten. In diesem Fall umfasst die Steuereinheit einen Vorhersagealgorithmus, welcher durch die Extrapolation von Motorkennwerten eine Wahrscheinlichkeit berechnet, mit welcher die zweite Ölpumpe 21 benötigt wird. Die zweite Ölpumpe 21 wird dadurch rechtzeitig vor dem Umschaltbedarf aktiviert, um ausreichend Druck aufbauen zu können, so dass bei Umschaltbedarf sofort der benötigte Umschaltdruck erzeugt werden kann. Zum Zeitpunkt der Zuschaltung des Förderstrom V2 der zweiten Ölpumpe 21 zum Förderstrom V1 der ersten Ölpumpe 20 fördert die zweite Ölpumpe 21 daher bereits mit dem festgelegten Förderstrom V2. Selbstverständlich muss dieser Förderstrom V2 >0 sein und liegt üblicherweise in einem Bereich von 10-90 % des maximalen Förderstroms V2 der zweiten Ölpumpe 21.
In 4 ist eine leichte Modifikation der Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede beschrieben. Die Vorrichtung umfasst wieder die erste Ölpumpe 20 und die zweite Ölpumpe 21, die wie in 2 dargestellt angeordnet sind. In Strömungsrichtung hinter den beiden Ölpumpen 20, 21 ist in der ersten Leitung 25 ein zweites Wegeventil 27 angeordnet. Über dieses zweite Wegeventil 27 kann ein zweites Überdruckventil 28 zugeschaltet werden. Das zweite Überdruckventil 28 ist derart eingestellt, dass es bei einem Druck p_Ö auslöst, der zwischen dem durch die erste Ölpumpe 20 erzeugten ersten Druck p₁ und dem durch beide Ölpumpen 20, 21 gemeinsam erzeugten zweiten Druck p₂ liegt (siehe 5). Auf diese Weise lassen sich Schaltungen realisieren, die drei Druckbereiche erfordern. Die Leckagen, die durch das zweite Überdruckventil 28 verursacht werden, führen zu Energieverlusten. Dieser Schaltzustand sollte daher nur von begrenzter Dauer eingenommen werden.
6 zeigt ein Schaltbild, in dem eine weitere Variante für die Ölversorgung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 dargestellt ist. Im Folgenden werden nur die Unterschiede beschrieben. Es sind wieder eine erste Ölpumpe 20 und eine zweite Ölpumpe 21 vorgesehen, wobei die erste Ölpumpe 20 die Motorölpumpe ist. Die erste Pumpe 20 pumpt einen ersten Förderstrom V1 an Motoröl aus der Ölwanne 22 über eine Leitung 25 in Richtung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3. Zusätzlich versorgt die erste Ölpumpe 20 über eine Versorgungsleitung 29 den Verbrennungsmotor M mit Motoröl. Parallel zur ersten Ölpumpe 20 ist die zweite Ölpumpe 21 angeordnet. Die zweite Ölpumpe 21 pumpt einen zweiten Förderstrom V2 an Motoröl aus der Ölwanne 22. Wie oben beschrieben, fördert die zweite Ölpumpe 21 den Förderstrom V2 in einem ersten Schaltzustand im Kreis zurück in die Ölwanne 22. Soll die Länge der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 verändert werden, so muss der Versorgungsdruck der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 verändert werden. Über das erste Wegeventil 23 wird der zweite Förderstrom V2 der zweiten Ölpumpe 21 auf die Leitung 25 geschaltet, sodass nun die zweite Ölpumpe 21 die Ölversorgung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 übernimmt. Dadurch wird der Ölversorgungsdruck für die Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 verändert. Um zu vermeiden, dass dadurch auch der Öldruck im Verbrennungsmotor M erhöht wird, ist zwischen dem Verbrennungsmotor M und der zweiten Ölpumpe 21 ein Rückschlagventil 30 angeordnet.
7 zeigt ein Schaltbild in dem noch eine Variante für die Ölversorgung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 dargestellt ist. Wie in der Variante aus 6 sind wieder eine erste Ölpumpe 20 und eine zweite Ölpumpe 21 vorgesehen, wobei die erste Ölpumpe 20 die Motorölpumpe ist. Die erste Ölpumpe 20 fördert einen ersten Förderstrom V1 an Motoröl aus der Ölwanne 22 über die Leitung 25 in Richtung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3. Zusätzlich versorgt die erste Ölpumpe 20 über eine Versorgungsleitung 29 den Verbrennungsmotor M mit Motoröl aus der Ölwanne 22. Auch hier ist eine zweite Ölpumpe 21 vorgesehen, die einen zweiten Förderstrom V2 an Motoröl aus der Ölwanne 22 pumpt. Der Förderstrom V2 kann entweder über eine Leitung 24 im Kreis zurück in die Ölwanne 22 gefördert werden oder über die Leitung 25 die Ölversorgung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 übernehmen. Hierzu ist ein Wegeventil 31 vorgesehen. Das Wegeventil 31 verbindet entweder die erste Ölpumpe 20 oder die zweite Ölpumpe 21 mit der Leitung 25. Der Förderstrom V1 der ersten Ölpumpe 20 unterscheidet sich vom Förderstrom V2 der zweiten Ölpumpe 21. Dadurch wird jeweils ein anderer Versorgungsdruck der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 erzielt. Soll also eine Längenänderung der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 initiiert werden, so schaltet das Wegeventil 31 um, sodass die momentan in die Leitung 25 fördernde Ölpumpe 20, 21 von der Leitung 25 weg geschaltet und die andere Ölpumpe 21, 20 auf die Leitung 25 zugeschaltet wird. Wie oben beschrieben führt dies zu einer Änderung des Versorgungsdrucks der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 und somit zu einem Einleiten der Längenänderung.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2.1,2.2,2.3: Zylinder
3.1,3.2,3.3: Hubkolben
4: Kurbelwelle
5.1,5.2,5.3,5.4: Kurbelwellenlager
6.1,6.2,6.3: Pleuelstange
7.1,7.2,7.3: Kurbelwellenzapfen
8.1,8.2,8.3: großes Pleuelauge
9.1,9.2,9.3: kleines Pleuelauge
10.1,10.2,10.3: Kolbenbolzen
11: Kurbelwellenkettenrad
12: Steuerkette
13: Nockenwellenkettenrad
14: Nockenwelle
15: Spannschiene
16: Kettenspanner
17.1,17.2,17.3: erstes Stangenteil
18.1,18.2,18.3: zweites Stangenteil
19.1,19.2,19.3: untere Lagerschale
20: erste Ölpumpe
21: zweite Ölpumpe
22: Ölwanne
23: erstes Wegeventil
24: Leitung
25: Leitung
26: erstes Überdruckventil
27: zweites Wegeventil
28: zweites Überdruckventil
29: Versorgungsleitung Verbrennungsmotor
30: Rückschlagventil
31: Wegeventil
η_TH: thermischer Wirkungsgrad
V_h: Hubvolumen
V_c: Kompressionsvolumen
H_C: Kompressionshöhe
H_K: Hubweg
ε: Verdichtungsverhältnis
n: Drehzahl
T: Temperatur
p₁: Druck
p₂: Druck
V1: erster Förderstrom (erste Ölpumpe)
V2: zweiter Förderstrom (zweite Ölpumpe)
V3: dritter Förderstrom
p_Ö: Öffnungsdruck Überdruckventil
M: Verbrennungsmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/05558282 A2 [0005]
WO 2015/055582 A2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) für einen Verbrennungsmotor (1) umfassend mindestens eine längenverstellbare Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3), die in mindestens zwei verschiedenen Längenstellungen arretierbar ist, mindestens eine erste Ölpumpe (20) zur Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3), und eine Steuereinheit, die bei einer Änderung eines Ölversorgungsdrucks der Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) für ein Umschalten zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) sorgt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Ölpumpe (21) vorgesehen ist, die bei Bedarf zur Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) zuschaltbar ist oder die Ölversorgung der mindestens einen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) übernimmt, und die zweite Ölpumpe (21) zum Zeitpunkt der Zuschaltung zur bzw. der Übernahme der Ölversorgung bereits mit einem festgelegten Förderstrom (V2) fördert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Förderstrom (V2) der zweiten Ölpumpe (21) > 0 ist, und bevorzugt mindestens 50 % des maximalen Förderstroms der zweiten Ölpumpe (21) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ölpumpe (20) und die zweite Ölpumpe (21) als zweigeteilte Pumpe ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der ersten Ölpumpe (20) und der zweiten Ölpumpe (21) ein erstes Überdruckventil (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ölpumpe (21) bei Betrieb der Vorrichtung dauerhaft fördert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ölpumpe (21) nur bei Bedarf aktivierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie einen Umschaltvorgang zwischen den Längenstellungen der Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) prognostiziert und die zweite Ölpumpe (21) vor dem Umschaltvorgang aktiviert, so dass zum Zeitpunkt des Umschaltens die festgelegte Förderleistung der zweiten Ölpumpe (21) erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit über einen Vorhersagealgorithmus verfügt, der durch Extrapolation von Motorkennwerten des Verbrennungsmotors (1) den Einschaltzeitpunkt der zweiten Ölpumpe (21) bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der ersten Ölpumpe (20) und der zweiten Ölpumpe (21) mindestens ein zuschaltbares zweites Überdruckventil (28) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Überdruckventil (28) mittels eines Wegeventils (27) zuschaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) einen Teleskopmechanismus mit mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ölpumpe (20) und die zweite Ölpumpe (21) nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ölpumpe (20) die Motorölpumpe des Verbrennungsmotors (M) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Ölpumpe (21) und einer Ölversorgung für den Verbrennungsmotor (M) ein Rückschlagventil (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderstrom (V1) der ersten Ölpumpe (20) in Richtung der mindestens einen Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) bei Zuschalten des Förderstrom (V2) der zweiten Ölpumpe (21) abgeschaltet wird.
Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (3.1, 3.2, 3.3) mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis umfassend eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange (6.1, 6.2, 6,3) nach einem der Ansprüche 1-15.