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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für eine Pleuelstange mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung sowie eine solche Pleuelstange mit einem solchen Kolben und eine Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuellänge bekannt.
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Aus der
DE 10 2005 055 199 A1 ist eine Pleuelstange mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung bekannt. Stützstangen der Exzenter-Verstelleinrichtung sind jeweils mit einem in einer Hydraulikkammer verschiebbar geführten Kolben fest verbunden. Der Kolben weist an seiner Außenseite ein flexibles Dichtmittel auf. Die Exzenter-Verstelleinrichtung ist so mit ein oder zwei Hubkolben in Wirkverbindung gebracht. Um eine gedämpfte Bewegung in beide Drehrichtungen zu ermöglichen, sind zwei verschließbare Räume vorhanden, in denen das jeweilige Hydraulikvolumen angeordnet wird.
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Der Exzenter steht in Verbindung mit einem ersten und einem zweiten Hebel zur Verdrehung des Exzenters, wobei der erste Hebel mit einem ersten Dämpfungsvolumen und der zweite Hebel mit einem zweiten Dämpfungsvolumen gekoppelt sind. Die Dämpfungsvolumina umfassen Hubzylinder, die den Hauptanteil der Dämpfungsvolumina bilden. Dämpfungsvolumina umfassen auch Leitungen wie auch andere Elemente. Ein Dämpfungsvolumen wird auch durch das in einem Zylinder oder zylinderartig wirkenden Raumelement vorhandene Fluid gebildet.
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Eine Verbindung zwischen dem Exzenter und einem Hubkolben eines Hubzylinders wird mit Hilfe eines mit dem Exzenter verbundenen Hebels sowie einer Schubstange hergestellt. Es werden zwei Räume über zwei eingesetzte Hubkolben geschaffen, wobei für jede Drehrichtung ein Hubkolben zur Dämpfung eingesetzt wird. Die eingesetzten Räume sind über ein Rückschlagventil mit einem Druckölkreislauf verbunden. Dieses ist derart angeordnet, dass stets Öl in den Raum einfließen kann. So ist mit Hilfe von Ventilen, die im Pleuel angeordnet sind, jeweils ein Raum mit dem Kurbelraum verbunden ist, während der andere Raum über ein Ventil geschlossen bleibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben, insbesondere für eine Pleuelstange mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuellänge zu schaffen, welcher bei optimaler Abdichtung gleichzeitig langlebig ist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einem solchen Kolben zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Figurenliste
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Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 in längsgeschnittener Darstellung eine Pleuelstange nach dem Stand der Technik;
- 2 eine erste Ausgestaltung eines Kolbens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Darstellung;
- 3 ein Dichtungselement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 4 ein Dichtungselement nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 5 ein Dichtungselement nach einem vierten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung;
- 6 ein Dichtungselement nach einem fünften Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung;
- 7 eine sechste Ausgestaltung eines Kolbens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 8 ein Dichtungselement nach einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 9 ein Dichtungselement nach einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 10 ein Dichtungselement nach einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung;
- 11 ein Dichtungselement nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung in längsgeschnittener Teildarstellung und
- 12 ein Dichtungselement nach einem fünften Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Die bekannte Pleuelstange 100 in 1 weist ein oberes Pleuellagerauge 12 auf, das zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens vorgesehen ist. Dieser Kolbenbolzen ist in üblicher Weise fest in einen Brennraumkolben der Brennkraftmaschine eingesteckt. Das obere Pleuellagerauge 12 ist über die Pleuelstange 100 mit dem in der Figur unteren, großen Pleuellagerauge 13 verbunden.
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Das obere Pleuellagerauge 12 ist mittels eines als Exzenter 106 ausgebildeten Lagerbauteils um eine Schwenkachse 102 schwenkbar, die parallel versetzt zur Längsachse 104 des oberen Pleuellagerauges 12 liegt. Dazu ist der Exzenter in eine Öffnung 108 eines Hebels 11 eingesetzt und mit dem Hebel 11 verbunden, von welchem sich zwei Arme diametral zueinander hinfort erstrecken, an denen Stützstangen 18 angelenkt sind. Die Stützstangen 18 sind am anderen Ende gelenkig mit den Kolben 14 verbunden, welche in einer Bohrung 42 der Hydraulikkammern 16 verschiebbar beweglich sind. Dabei fährt jeweils der eine Kolben 14 aus seiner zugeordneten Hydraulikkammer 16 aus, während der andere Kolben 14 in seine zugeordnete Hydraulikkammer 16 einfährt. Somit ist es möglich, den Exzenter 106 innerhalb einer Bohrung der Pleuelstange 100s um die Schwenkachse 102 zu bewegen. Dazu sind die Stützstangen 18 beispielsweise mit einem Verbindungsgelenk 10 in Aufnahmen von Kolben 14 gelagert und dort mit Querbolzen verschraubt. Die Stützstangen 18 sind mit einem in mit den Stützstangen 18 zusammenwirkenden Hydraulikkammern 16 herrschenden Hydraulikdruck beaufschlagt, wobei die Kolben 14 in den Hydraulikkammern 16 verschiebbar geführt sind. Damit kann der Abstand des oberen Pleuellagerauges 12 zu einer Pleuellagerachse 110 des in der Figur unteren Pleuellagerauges 13 als effektiver Pleuellänge verändert werden und so über die am oberen Pleuellagerauge 12 gelagerten Stützstangen 18 eine variable Verdichtung im Brennraum einer Brennkraftmaschine bewirkt werden.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens 14, wie er insbesondere für eine Pleuelstange 100 mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuellänge vorgesehen ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Kolben 14 in einer Hydraulikkammer 16 verschiebbar geführt und lagert eine Stützstange 18 der Exzenter-Verstelleinrichtung. Dabei weist Kolben 14 an einer Außenseite 22 wenigstens eine Ausnehmung 28 auf, in welche ein verschleißoptimiertes Dichtelement 26 angeordnet ist. Die Ausnehmung 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel als umlaufende Nut ausgebildet, welche das Dichtelement 28 sicher aufnimmt.
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Der Kolben 14 ist als Kugelkopfaufnahme 30 für einen an der Stützstange 18 angeordneten Kugelkopf 20 des Kugellagers 10 ausgebildet und der Kugelkopf 20 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 30 durch ein Sicherungselement 52 gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 30 gesichert, wobei das Sicherungselement 52 insbesondere mit einem radial nach innen ragenden Hinterschnitt ausgebildet ist. Die Kugelkopfaufnahme 30 erlaubt eine sehr große Bewegungsfreiheit der Stützstange 18 relativ zu dem Kolben 14, da sich die Stützstange 18 über einen großen Winkelbereich bewegen kann.
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Das Sicherungselement 52 kann beispielsweise als wenigstens teilweise verformbare Wand 44 des Kolbens 14 ausgebildet sein. Durch Verformung der Wand 44 des Grundkörpers 22 lässt sich das Sicherungselement 52 auf sehr einfache und kostengünstige Art mit Hilfe eines Werkzeugs durch Umformen zweckmäßig herstellen.
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Alternativ kann das Sicherungselement 52, wie bei der in 2 dargestellten Ausführungsform, insbesondere als Sicherungsring 50 ausgebildet sein. Der Sicherungsring 50 kann insbesondere entlang seiner Längsachse symmetrisch ausgebildet sein, so dass eine Montage verwechslungssicher erfolgen kann. Alternativ kann die Ausgestaltung auch unsymmetrisch sein. Vorteilhaft ist der Kugelkopf 20 in der Kugelkopfaufnahme 30 verschwenkbar und gleichzeitig axial nur mit hoher Auszugskraft aus der Kugelkopfaufnahme 30 herausziehbar.
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Die Kugelkopfaufnahme 30 umfasst ein gewölbtes Bodenteil 32, das an die Außenkontur des Kugelkopfs 20 angepasst ist und auf dem der Kugelkopf 20 gleiten kann, um Verkippungen der Stützstange 18 zu ermöglichen. In axialer Richtung zum offenen Ende der Kugelkopfaufnahme 30 hin schließt sich ein zylinderförmiger Raum 34 an, in dem der Sicherungsring 50 angeordnet ist.
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Die Kugelkopfaufnahme 30 weist an ihrem offenen Ende einen Hinterschnitt 36 auf, der den Sicherungsring 50 in der Kugelkopfaufnahme 30 axial sichert. Damit ist eine hohe Sicherheit gegen ein Herausgleiten oder Herausziehen des Sicherungsrings 50 und damit des Kugelkopfs 20 aus der Kugelkopfaufnahme 30 gegeben.
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Der zylinderförmige Raum 34 dient in günstiger Weise zum Einführen des Kugelkopfes 20 in die Kugelkopfaufnahme 30. Der zylinderförmige Raum 34 bietet Platz zur Aufnahme des Sicherungsrings 50 und ist im Durchmesser größer als der Kugelkopf 20. Das gewölbte Bodenteil 32 ist im Kontaktbereich mit dem Kugelkopf 20 vorteilhaft an die Außenkontur des Kugelkopfes 20 angepasst, so dass der Kugelkopf 20 leicht verschwenkbar ist. Gleichzeitig bietet das gewölbte Bodenteil 32 eine definierte Endlage des Kugelkopfs 20 in axialer Richtung. Der gewölbte Bereich 32 ist vorteilhafterweise etwa so tief wie der Radius des Kugelkopfes 20.
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Der Sicherungsring 50 legt sich mit Vorspannung gegen eine Wand 38 der Kugelkopfaufnahme 30. Dazu ist der Sicherungsring 50 unterbrochen, insbesondere geschlitzt, und kann zur Montage zusammengedrückt und in die Kugelkopfaufnahme 30 eingesetzt werden. Außerdem lässt sich der geschlitzte Sicherungsring 50 einfach über die Stützstange 18 schieben.
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Der Sicherungsring 50 ist beispielsweise aus Kunststoff gebildet und weist an seiner im eingebauten Zustand dem Kugelkopf 20 zugewandten Stirnseite eine radial nach innen weisende Wölbung 54 auf, die eine axiale Bewegung des Kugelkopfs 20 limitiert. Gleichzeitig kann der Kugelkopf mit seiner Außenfläche auf der Wölbung 54 bei einer Verkippung gleiten. Dies erlaubt einen besonders abriebarmen Kontakt zwischen Sicherungsring 50 und Kugelkopf 20, so dass auch erhöhte Reinheitsanforderungen erfüllt werden können. Außerdem erlaubt eine solche radiale nach innen geneigte Wölbung 54 eine günstige Bewegungsfreiheit über einen großen Winkelbereich für die Stützstange 18.
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Das Dichtelement 26 ist als Dichtring ausgebildet und weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf, wodurch eine gute Dichtwirkung bei gleichzeitig geringem Spalt zwischen Außenseite 22 und Bohrung 42 der Hydraulikkammer 16 erreicht werden kann. Auch kann so ein rechteckförmiger Querschnitt eine breite Lauffläche des Dichtelements 26 auf der Gleitfläche der Bohrung 42 der Hydraulikkammer 16 bilden. Dadurch wird ein günstiges Verschleißverhalten bei gleichzeitig guter Dichtwirkung erzielt, was insgesamt zu einem wirtschaftlichen Betrieb der Exzenter-Verstelleinrichtung beiträgt.
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Als Werkstoff für das Dichtelement 26 ist PTFE (Polytetrafluorethylen) vorgesehen, der besonders gute Verschleiß- und Gleiteigenschaften aufweist.
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Insbesondere der Einsatz eines modifizierten PTFE, eines sogenannten PTFE-Compounds, ermöglicht die Optimierung der Eigenschaften.
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Der Dichtring 26 kann wie in 2 gezeigt nutfüllend vorgesehen werden, jedoch sind auch andere Querschnittformen denkbar. Zur einfachen Montage des Dichtringes 26 kann dieser geschlitzt vorgesehen sein, wie den 5 und 6 zu entnehmen ist. Ebenso kann der PTFE-Dichtring 26 auch einen überlappenden Stoß aufweisen, wie dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 ersichtlich ist.
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3 zeigt ein Dichtelement eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei welchem der PTFE-Dichtring mittels eines O-Ringes 24 an die Bohrung 42 der Hydraulikkammer 16 gepresst wird.
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Aus 4 ist ein Ausführungsbeispiel ersichtlich, bei welchem der Dichtring 26 als HNBR-Profilring ausgebildet ist. HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) ist für seine besondere chemische und thermische Beständigkeit bekannt. Der Profilring weist zwei umlaufende Dichtlippen 46, 48 auf, welche an der Nut 28 bzw. der Bohrung 42 dicht anliegen, und wird mittels eines PTFE-Stützringes 56 an seiner Rückseite abgestützt.
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Ein nicht gezeigtes Ausführungsbeispiel sieht ferner vor, den Dichtring 26 als X-Ring auszubilden.
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Das gemäß 7 gezeigte Ausführungsbeispiel weist dagegen einen als O-Ring ausgebildeten Dichtring 26 auf, welcher in axialer Richtung mittels eines Stützringes 58 abgestützt vorgesehen ist.
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Wie das Ausführungsbeispiel gemäß 8 zeigt, ist es auch möglich, das Dichtelement in einer endseitigen Ausnehmung 60 des Kolbens 14 anzuordnen. Das Dichtelement ist hierbei als Dichtmanschette ausgebildet und weist einen Abstützring 62, einen Dichtring 64 sowie einen Druckring 66 auf. Grundsätzlich können auch Dichtringe aus nicht elastischen Werkstoffen wie Grauguss, PEEK o.a. in die endseitige Ausnehmung 60 eingesetzt werden.
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Ebenso kann ein auf die endseitige Ausnehmung 60 aufsetzbarer Deckel als axiale Verschiebesicherung vorgesehen sein.
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9 zeigt des Weiteren eine sogenannte Kompaktdichtung als Dichtelement, welche einen Gleitring 68, einen Elastomerring 70 sowie zwei seitlich angeordnete Stützringe 72 aufweist.
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Eine weitere in 10 dargestellte alternative Ausführungsform sieht vor, zusätzlich zu Dichtringen 26 ein oder mehrere Führungselemente bzw. Führungsringe 74 an dem Kolben 14 anzuordnen, welche insbesondere gute Gleiteigenschaften aufweisen bzw. als weitere Dichtung fungieren.
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Gemäß 11 ist das Dichtelement schließlich als federvorgespannter Nutring 76 ausgebildet.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, in die Bohrung 42 der Hydraulikkammern 16 eine Laufbuchse einzubauen, worauf der Kolben 14 jeweils geführt wird.
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Der Kolben 14 wird vorteilhaft für eine Pleuelstange 100 eingesetzt, welche beispielsweise in einer Brennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis Anwendung findet, wobei die Pleuelstange 100 wie oben beschrieben Mittel zur Verstellung der effektiven Pleuellänge aufweisen kann.
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Die beschriebenen Dichtelemente sind grundsätzlich nicht auf die erwähnten Werkstoffe wie HNBR bzw. PTFE begrenzt. Grundsätzlich sind auch alle dem Fachmann bekannten Dichtelement-Werkstoffe im Rahmen der Erfindung einsetzbar. Auch nicht elastische Werkstoffen wie Grauguss, PEEK etc. können Anwendung finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0003]
