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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge eines Pleuels über zumindest einen Gleitlagerabschnitt verdrehbar angeordneten, eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge und Aufnahmebohrungen eines Kolbens der Zylindereinheit herstellenden Exzenterkörper, der an zumindest einem axialen Teilabschnitt einen formschlüssig mit einem Schwenkhebel zusammenwirkenden Mitnahmebereich aufweist.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuellagerauge eines Pleuels über zumindest einen Gleitlagerabschnitt verdrehbar angeordneten, eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuellagerauge und einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle herstellenden Exzenterring.
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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.
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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 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 verändert wird. Dabei kann die Verstellung an dem das Kolbenbolzenlager aufnehmenden Pleuelauge oder an dem am Kurbelzapfen gellagerten Pleuellagerauge erfolgen, wodurch sich jeweils die Lage des Kolbens gegenüber dem Kurbelzapfen verändert. Wesentlich ist, dass dabei die effektive Länge des Pleuels, also der Abstand zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen verstellt wird.
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Eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2015 103 206 A1 bekannt. Dabei nimmt der verdrehbar im Pleuelauge geführte Exzenterkörper den Schwenkhebel in seinem mittleren Bereich auf, wobei dieser in einer als Längsschlitz des Pleuelauges ausgebildeten Ausnehmung verläuft. Beidseitig des Schwenkhebels sind die zwischen dem Pleuelauge und dem Exzenterkörper wirkenden Gleitlagerungen vorgesehen, wofür der Exzenterkörper die Gleitlagerabschnitte aufweist. Die Gleitlagerungen sind dabei mit Schmierölbohrungen verbunden, die sowohl innerhalb des Pleuelauges als auch innerhalb des Exzenterkörpers verlaufen und phasenweise derart miteinander kommunizieren, dass zwischen dem Exzenterkörper und einem Kolbenbolzen ein Schmierölfilm aufgebaut werden kann.
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Gemäß der
DE 10 2015 103 202 A1 ist der Exzenterkörper im Bereich seiner beiden Enden mit zwei Schwenkhebeln verbunden, die gemeinsam eine Schwenkhebeleinheit bilden. In diesem Fall ist die Gleitlagerung im mittleren Abschnitt des Exzenterkörpers vorgesehen.
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Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 2 angegebenen Gattung ist aus der
DE 10 2014 216 531 A1 bekannt. Dabei ist zwischen einem Pleuellager und einem Pleuellagerauge ein Exzenterring angeordnet, dessen Verdrehung zur Änderung der effektiven Länge des Pleuels und somit zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses führt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reibung innerhalb der zwischen dem Pleuelauge und dem Exzenterkörper oder dem Pleuellagergehäuse und dem Exzenterring vorgesehenen Gleitlagerung zu verringern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird, ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1, in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
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Danach ist eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge eines Pleuels über zumindest einen Gleitlagerabschnitt verdrehbar angeordneten, eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge und Aufnahmebohrungen eines Kolbens der Zylindereinheit herstellenden Exzenterkörper versehen. Der Exzenterkörper weist an zumindest einem axialen Teilabschnitt einen formschlüssig mit einem Schwenkhebel zusammenwirkenden Mitnahmebereich auf.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 soll der zumindest eine Gleitlagerabschnitt des Exzenterkörpers oder des Pleuelauges mit einer reibungsminimierenden, das Ölrückhaltevermögen verbessernden Mikrostruktur versehen sein. Die erfindungsgemäß vorgesehene Mikrostruktur dient aufgrund des Schmierölrückhaltevermögens als Schmierdepot, so dass die Schmierwirkung zwischen den Bauteilen Exzenterkörper und Pleuel verbessert werden kann. Daraus resultieren eine deutliche Reduzierung der Reibung und somit des Verschleißes. Die Verringerte Reibung hat in vorteilhafter Weise eine Reduktion des am Exzenterkörper erforderlichen Verstellmoments zur Folge. Insgesamt werden eine Misch- und Festkörperreibung vermieden. Es besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur nur im Bereich der Gleitlagerabschnitte des Exzenterkörpers oder in der Innenmantelfläche der Bohrung des Pleuelauges vorzusehen. Bei der zuvor im Zusammenhang mit dem Stand der Technik angegebenen Bauweise der Verstellvorrichtung mit einem mittig auf dem Exzenterkörper angeordneten Schwenkhebel sind zwei Gleitlagerabschnitte im Bereich der Enden des Exzenterkörpers vorgesehen. Im anderen Fall mit zwei eine Schwenkhebeleinheit bildenden Schwenkhebeln ist ein Gleitlagerabschnitt mittig des Exzenterkörpers vorgesehen.
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Weiterhin wird die Aufgabe auch, ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 2, in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuellagerauge eines Pleuels über zumindest einen Gleitlagerabschnitt verdrehbar angeordneten, eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuellagerauge und einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle herstellenden Exzenterring versehen. Erfindungsgemäß soll der zumindest eine Gleitlagerabschnitt des Exzenterringes oder des Pleuellagerauges mit einer reibungsminimierenden, das Ölrückhaltevermögen verbessernden Mikrostruktur versehen sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll die Mikrostruktur durch napfförmige Ausnehmungen gebildet sein. Für die Ausnehmung können dabei unterschiedliche Formen vorgesehen sein, beispielsweise kugelförmige oder kegelstumpfförmige Ausnehmungen. Die Oberfläche kann auch eine Struktur, ähnlich einer Apfelsinenschale aufweisen.
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Weiterhin kann die Mikrostruktur durch einen Laservorgang herstellbar sein. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur als sich kreuzende Riefen auszubilden. Diese können durch einen Honprozess herstellbar sein, bei dem Schleifkörner in die Oberfläche eingedrückt und entstehende Aufwürfe durch einen anschließenden Poliervorgang entfernt werden.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur nur in der Lastzone zwischen dem Exzenterkörper und dem Pleuelauge vorzusehen. Bei der Lastzone handelt es sich um den Bereich der Außenmantelfläche des Exzenterkörpers oder der Innenmantelfläche der Bohrung des Pleuelauges, in dem im Expansionshub des Arbeitskolbens der Hubkolbenbrennkraftmaschine die Gaskräfte wirksam sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, soweit sie aus den Patentansprüchen, den Vorteilsangaben zu den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder zumindest aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Zeichnung durch entsprechende Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Patentansprüche nicht beschränken.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist,
- 2 einen Teilabschnitt eines Pleueloberteils im Bereich eines Pleuelauges, wobei in dem Pleuelauge ein Exzenterkörper angeordnet ist,
- 3 einen Längsschnitt gemäß Linie III - III durch das Pleueloberteil der 2,
- 4 im Maßstab vergrößert, einen Ausschnitt IV der 3,
- 5 eine stirnseitige Ansicht des Exzenterkörpers,
- 5a eine Ansicht des Exzenterkörpers auf dessen Außenmantelfläche und
- 6 eine perspektivische Darstellung des Exzenterkörpers.
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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 Pleueloberteil 2 und einem Pleuelunterteil 3 besteht. Das Pleueloberteil 2 und das Pleuelunterteil 3 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 4, über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. Am seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 2 mit einem Pleuelauge 5 versehen, in welchem ein Exzenterkörper 6 mit einem exzentrisch angeordneten Kolbenbolzenlager 8a angeordnet ist. Das Kolbenbolzenlager 8a nimmt einen Kolbenbolzen 8 auf. Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager 8a geführten Kolbenbolzen 8 ist ein Arbeitskolben 9 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Exzenterkörper 6 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt. Dabei ist mit dem Exzenterkörper 6 ein Schwenkhebel 7 drehfest verbunden.
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Der Exzenterkörper 6 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen 8 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Verstellhebel 7 weist diametral verlaufende Laschen 10 und 11 auf, die jeweils über Kolbenstangen 12 und 13 mit einfachwirkenden Stellkolben 14 und 15 verbunden sind. Die Stellkolben 14 und 15 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 6 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenterkörpers 6 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenterkörper 6 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
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Die Stellkolben 14 und 15 sind in Stützzylindern 16 und 17 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 18 und 19, in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 4 angeordneten Pleuellager 20 über Ölzulaufleitungen 21 und 22 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 18 und 19 eine Ölrücklaufleitung 23 bzw. 24 aus, die, wie aus der 1 hervorgeht, beide in eine Aufnahmebohrung 25 für ein Schaltventil einmünden. Von dem Pleuellager 20 führt außerdem eine Steuerleitung 26 zu der Aufnahmebohrung 25.
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In der 2 ist ein Teilabschnitt des Pleueloberteils 2 des gemäß Figur ausgebildeten Pleuels 1 ohne den Arbeitskolben und ohne die Kolbenstangen dargestellt. Wie weiterhin aus der Schnittdarstellung der 3 und 4 hervorgeht, weist das Pleueloberteil 2 in Bereich des Pleuelauges 5 einen quer zu diesem verlaufenden Schlitz 27 auf, in welchem eine Nabe 28 des Schwenkhebels 7 verläuft. Daher besteht das Pleuelauge 5 aus zwei durch den Schlitz 27 zueinander beabstandeten Teilabschnitten 5a und 5b. Beidseitig des Schwenkhebels 7 ist der Exzenterkörper 6 über Gleitlagerabschnitte 29 und 30 drehbar in einer durch die Teilabschnitte 5a und 5b des Pleuelauges 5 verlaufenden Bohrung 31 geführt. Diese Gleitlagerabschnitte 29 und 30, also die entsprechende Außenmantelfläche des Exzenterkörpers 6 sollen erfindungsgemäß mit einer Mikrostruktur 32 versehen sein.
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Die 5a zeigt eine Seitenansicht des in der 5 stirnseitig dargestellten Exzenterkörpers 6. Weiterhin ist der Exzenterkörper in der 6 perspektivisch dargestellt. Aus den 5a und 6 geht hervor, dass die Mikrostruktur 32 durch eine Vielzahl napfförmiger Ausnehmungen 33 gebildet wird, die das Ölrückhaltevermögen an den Gleitlagerabschnitten 29 und 30, also in der Gleitlagerung, verbessern. Alternativ dazu kann der Exzenterkörper 6 über seine gesamte Länge, folglich auch im Bereich der Fixierung des Schwenkhebels 7, mit einer entsprechenden Mikrostruktur 32 versehen sein. Ein, in Längsrichtung gesehen, mittlerer Bereich 34 der Mantelfläche des Exzenterkörpers, an dem der Schwenkhebel 7 drehfest fixiert wird, ist nicht mit der Mikrostruktur 32 versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleueloberteil
- 3
- Pleuelunterteil
- 4
- Pleuellagerauge
- 5
- Pleuelauge
- 5a
- Teilabschnitt von 5
- 5b
- Teilabschnitt von 5
- 6
- Exzenterkörper
- 7
- Schwenkhebel
- 8
- Kolbenbolzen
- 8a
- Kolbenbolzenlager
- 9
- Arbeitskolben
- 10
- Lasche
- 11
- Lasche
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Stellkolben
- 15
- Stellkolben
- 16
- Stützzylinder
- 17
- Stützzylinder
- 18
- Druckraum
- 19
- Druckraum
- 20
- Pleuellager
- 21
- Ölzulaufleitung
- 22
- Ölzulaufleitung
- 23
- Ölrücklaufleitung
- 24
- Ölrücklaufleitung
- 25
- Aufnahmebohrung
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Schlitz in 5
- 28
- Nabe von 7
- 29
- Gleitlagerabschnitt
- 30
- Gleitlagerabschnitt
- 31
- Bohrung von 5
- 32
- Mikrostruktur
- 33
- napfförmige Ausnehmungen
- 34
- mittlerer Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015103206 A1 [0007]
- DE 102015103202 A1 [0008]
- DE 102014216531 A1 [0009]
