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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines als Hubkolbenmotor gestalteten Verbrennungsmotors.
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Hubkolbenmotoren mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis können einen Mehrgelenkskurbeltrieb aufweisen, wie er zum Beispiel aus der
DE 10 2010 032 441 A1 bekannt ist. Der bekannte Mehrgelenkskurbeltrieb umfasst einen Anlenkpleuel, welcher auch als Nebenpleuel bezeichnet wird und auf einer Exzenterwelle gelagert ist. Das der Exzenterwelle abgewandte Ende des Anlenkpleuels ist schwenkbar mit einem Koppelglied verbunden, an welchem ein Kolbenpleuel angelenkt ist. Das Koppelglied ist auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, das heißt Hubkolbenmotors, drehbar gelagert. Durch Verschwenkung der Exzenterwelle ist unter anderem die Lage des oberen Totpunkts des Hubkolbenmotors veränderbar.
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Weitere Vorrichtungen zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors sind beispielsweise in den Dokumenten
US 7,059,280 B2 und
US 2015/0219009 A1 offenbart.
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Ein Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor, mit hoher Aufladung, beispielsweise Turboaufladung, weist im Vergleich zu einem nicht aufgeladenen Motor ein relativ niedriges Verdichtungsverhältnis auf. Damit ist zwar eine hohe auf den Hubraum bezogene Leistung erzielbar, jedoch im Teillastbetrieb ein im Vergleich zu einem höher verdichteten, nicht aufgeladenen Motor geringerer Wirkungsgrad in Kauf zu nehmen. Mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses (VCR-Vorrichtung, variable combustion ratio) kann der Zielkonflikt zwischen hoher Maximalleistung und wirtschaftlichem Teillastbetrieb entschärft werden, wobei auch die VCR-Vorrichtung selbst einen Energiebedarf hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte VCR-Vorrichtung anzugeben, welche sich durch energetisch besonders günstige Eigenschaften auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gemäß Anspruch 1 gestaltete Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, das heißt VCR-Vorrichtung. Die VCR-Vorrichtung arbeitet mit einem Aktuator, welcher einen Elektromotor, ein Untersetzungsgetriebe, mindestens eine mit Kurbeltriebskomponenten des Hubkolbenmotors zusammenwirkende Welle, sowie ein auf die Welle wirkendes Reibelement mit richtungsabhängigem Reibmoment umfasst.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es sich bei einer VCR-Vorrichtung um einen Verstellmechanismus handelt, der in verschiedenen Betriebsphasen eines Verbrennungsmotors auf unterschiedliche Weise durch Kräfte und Momente belastet ist. Die verschiedenen Kräfte und Momente können hierbei mit positiven und negativen Vorzeichen auftreten, wobei während der gesamten Betriebsdauer des Kraftfahrzeugs keine symmetrische Verteilung um den jeweiligen Nullpunkt gegeben ist. Vielmehr sind verstellbare Komponenten, wie Wellen oder Hebel, des VCR-Mechanismus während des Betriebs des Verbrennungsmotors größtenteils in gleichbleibender Richtung belastet. Diese Belastung ist durch den Aktor der VCR-Vorrichtung auch dann aufzunehmen, wenn keine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird die auf eine verstellbare Komponente, nämlich Welle, der VCR-Vorrichtung wirkende Belastung zumindest teilweise durch das Reibelement kompensiert, welches ein von der Verstellrichtung der Welle abhängiges Reibmoment erzeugt. Dies bedeutet, dass beim Antrieb der Welle durch den Elektromotor des Aktuators das Reibelement höchstens eine geringe störende Wirkung entfaltet, wogegen im Fall der Abstützung der Welle gegen ein von außen, das heißt vom Kurbeltrieb, einwirkendes Lastmoment das Reibelement die Abstützung unterstützt. Die durch das Reibeelement bewirkte Unterstützung kann hierbei soweit gehen, dass keinerlei Bestromung des Elektromotors erforderlich ist, das heißt das Reibelement als Sperrelement wirkt. Im Fall einer geringeren Wirkung des Reibelements in Sperrrichtung hat der Elektromotor ein zusätzliches, unterstützendes Drehmoment aufzubauen, was jedoch immer noch eine Energieeinsparung gegenüber einem VCR-Aktor ohne richtungsabhängiges Reibelement bedeutet.
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Gemäß einer möglichen Bauform der VCR-Vorrichtung wird durch die Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes direkt diejenige Exzenterwelle verstellt, an welche ein Nebenpleuel angelenkt ist, das mit weiteren Kurbeltriebskomponenten, unter anderem einem Koppelglied mit drei Anlenkpunkten, zusammenwirkt.
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Bei einer weiterentwickelten Bauform ist die Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes als Aktuatorexzenterwelle ausgebildet, welche über ein weiteres untersetzendes Getriebe mit der genannten Exzenterwelle des Kurbeltriebs zusammenwirkt.
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Bei der Welle, auf welche das drehrichtungsabhängige Reibelement wirkt, kann es sich prinzipiell um jegliche verstellbare Welle der VCR-Vorrichtung handeln. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um die Motorwelle des Elektormotors des VCR-Aktuators. Alternativ wirkt das drehrichtungsabhängige Reibelement auf die Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes. Dies hat den Vorteil, dass Komponenten des Untersetzungsgetriebes weniger belastet sind, wenn vom Kurbeltrieb ein Lastmoment auf den VCR-Aktuator zurückwirkt. Im Vergleich zu einem Reibelement, welches die Welle des Elektromotors bremst, sind jedoch durch das dem Untersetzungsgetriebe nachgeschaltete Reibelement höhere Momente zu erzeugen.
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Das Untersetzungsgetriebe des VCR-Aktuators ist vorzugsweise als Wellgetriebe ausgebildet. Hinsichtlich des Aufbaus von Wellgetrieben wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 10 2016 207 930 B3 und
DE 10 2016 205 748 B3 hingewiesen.
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Bei dem Elektromotor des VCR-Aktuators handelt es sich beispielsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf das Dokument
WO 2015/144156 A1 verwiesen.
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Das richtungsabhängige Reibelement des VCR-Aktuators ist zum Beispiel als Schlingfederfreilauf ausgebildet. Schlingfederfreiläufe sind prinzipiell zum Beispiel aus den Dokumenten
DE 10 2015 220 680 A1 und
DE 10 2015 217 164 A1 bekannt. Ein besonderer Vorteil eines solchen Schlingfederfreilaufs besteht darin, dass er ohne jegliche aktive, etwa elektromagnetische, Aktorik ein stark drehrichtungsabhängiges Reibmoment aufbaut. Zudem ist der Schlingfederfreilauf mit geringem Platzbedarf in den VCR-Aktuator integrierbar. Unabhängig von der Bauart des Reibelementes limitiert dieses die Drehzahl, die der Elektromotor der VCR-Vorrichtung im Fall von außen einwirkender Belastungen erreichen kann. Damit werden auch mechanische Belastungen, die beim Anschlagen von Bauteilen der VCR-Vorrichtung an einen den Verstellbereich begrenzenden Anschlag auftreten können, zuverlässig begrenzt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis in schematisierter Darstellung,
- 2 in einem Blockdiagramm Eigenschaften der Anordnung nach 1,
- 3 in schematisierter Darstellung einen Schlingfederfreilauf eines VCR-Aktors der Vorrichtung nach 1,
- 4 und 5 jeweils in einem Diagramm Betriebseigenschaften des den Schlingfederfreilauf nach 3 aufweisenden VCR-Aktors.
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In 1 ist der Aufbau einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, kurz als VCR-Vorrichtung (Variable Compression Ratio) bezeichnet, skizziert.
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Die mit 4 bezeichnete Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, bei welchem es sich im vorliegenden Fall um einen Ottomotor mit Turboaufladung handelt, rotiert um eine mit DK bezeichnete Drehachse. Ebenso könnte es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Dieselmotor oder um einen HCCI (homogeneous charge compression ignition)-Motor handeln. Der Motorblock des Verbrennungsmotors ist mit 2 bezeichnet. Ein insgesamt mit 3 bezeichneter VCR-Aktuator, kurz auch als Aktor bezeichnet, ermöglicht die Verstellung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des als Hubkolbenmotors ausgebildeten Verbrennungsmotors.
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Um die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses zu ermöglichen, ist die Kurbelwelle 4 in an sich bekannter Weise gelenkig mit einem Zwischenelement 5 verbunden, welches in der vereinfachten Darstellung nach 1 eine längliche, abgerundete Form aufweist. Tatsächlich könnte das Zwischenelement 5 im dargestellten Querschnitt beispielsweise eine Dreiecksform beschreiben. Der Anlenkpunkt, an welchem das Zwischenelement 5 mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle 4 gekoppelt ist, wird als mittlerer Anlenkpunkt MA bezeichnet. Ein weiterer, als Pleuel-Anlenkpunkt PA bezeichneter Anlenkpunkt markiert die Verbindung zwischen dem Zwischenelement 5 und einem Pleuel 6, dessen Form und Funktion in prinzipiell gleicher Weise bei einem herkömmlichen Hubkolbenmotor mit festem Verdichtungsverhältnis zu finden ist. Der Pleuel 6 mit einem Kolben 7 des Verbrennungsmotors gekoppelt.
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Zusätzlich zur Kopplung mit dem Pleuel 6 ist am Zwischenelement 5 eine Kopplung mit einem Nebenpleuel 8 gegeben, welches auch als Abtriebsschubstange bezeichnet wird. Der entsprechende Anlenkpunkt am Zwischenelement 5 ist als Nebenpleuel-Anlenkpunkt NA bezeichnet. Das vom Nebenpleuel-Anlenkpunkt NA abgewandte Ende des Nebenpleuels 8 ist gelenkig mit einer Exzenterwelle 9 gekoppelt, welche dem Aktor 3 zuzurechnen ist. Der entsprechende Anlenkpunkt an der Exzenterwelle 9 ist als erster Anlenkpunkt EA1 bezeichnet. Die Exzenterwelle 9 ist um eine Schwenkachse begrenzt schwenkbar, welche als Drehachse DE bezeichnet ist. Zusätzlich zum ersten Anlenkpunkt EA1 ist an der Exzenterwelle 9 ein zweiter Anlenkpunkt EA2 vorhanden, welcher der gelenkigen Verbindung mit einem Zwischenhebel 10 dient.
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Der in der VCR-Vorrichtung 1 vorhandene Zwischenhebel 10, welcher einen gekrümmten Bereich aufweist, ist weiterhin mit einer VCR-Verstellwelle 11, welche kurz auch als Verstellwelle bezeichnet wird, gelenkig gekoppelt. Der Anlenkpunkt des Zwischenhebels 10 an der Verstellwelle 11 ist mit VA bezeichnet. Die mit DM bezeichnete Drehachse der Verstellwelle 11 fällt mit der Drehachse eines Elektromotors 12 sowie der Mittelachse eines Untersetzungsgetriebes 13 zusammen. Das durch den Elektromotor 12 betätigte Untersetzungsgetriebe 13 ist im Ausführungsbeispiel als Wellgetriebe ausgebildet. Die Verstellwelle 11 ist mit der Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes 13 identisch oder drehfest, optional über eine Ausgleichskupplung, gekoppelt und um nicht mehr als 180° schwenkbar.
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Das durch die Verstellwelle 11, den Zwischenhebel 10 und die Exzenterwelle 9 gebildete Getriebe ist derart ausgelegt, dass eine Verschwenkung der Verstellwelle 11 um einen bestimmten Winkel in eine vergleichsweise geringe Verdrehung der Exzenterwelle 9 umgesetzt wird. Somit ist eine weitere Untersetzung zusätzlich zu der durch das Untersetzungsgetriebe 13 gegebenen Untersetzung realisiert.
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Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird in die Exzenterwelle 9 der VCR-Vorrichtung 1 ein variables Moment eingeleitet. Je nach Verstellrichtung des VCR-Aktuators 3 wird bei der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors der Verstellvorgang entweder durch das genannte Moment unterstützt oder gegen die Wirkung dieses Moments durchgeführt. Soll die Verstellwelle 11 und damit auch die Exzenterwelle 9 in konstanter Position gehalten werden, so ist durch den Elektromotor 12 grundsätzlich ein Haltemoment zu erzeugen. Um dieses Haltemoment zu reduzieren, idealerweise auf den Wert Null, ist ein Reibelement 15 vorgesehen, dessen Aufbau und Funktion im Folgenden näher erläutert wird.
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In 2 sind Merkmale des Betriebs der VCR-Vorrichtung 1 veranschaulicht. Die Darstellung ist von rechts nach links zu betrachten. Vom insgesamt mit 17 bezeichneten Kurbeltrieb des Hubkolbenmotors wird ein Lastmoment LM in die VCR-Verstellwelle 11, welche auch als Akutatorexzenterwelle bezeichnet wird, eingeleitet. Die Aktuatorexzenterwelle 11 stellt die Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes 13 dar oder ist mit dieser Welle drehfest gekoppelt. Die Motorwelle 16 (3) des Elektromotors 12 oder eine von der Motorwelle 16 angetriebene oder starr mit dieser verbundene Welle stellt die Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes 13 dar. An dieser Welle greift ein in 1 nicht sichtbares, in 3 im Detail dargestelltes Reibelement 15 an, welches als Schlingfederfreilauf gestaltet ist und ein drehrichtungsabhängiges Reibmoment erzeugt. Das Reibelement 15 stützt sich in einem Gehäuse 14 ab, das auch der Halterung des Elektromotors 12 sowie des Untersetzungsgetriebes 13 dient und mit dem Motorblock 2 fest verbunden oder identisch ist. Die Rotation der Motorwelle 16 des Elektromotors 12 ist in 2 durch einen gebogenen Pfeil veranschaulicht. Das Drehmoment des Elektromotors 12 ist mit ME bezeichnet.
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Während der gesamten Betriebsdauer des Verbrennungsmotors wirkt das über den Kurbeltrieb 17 in die VCR-Verstellwelle 11 eingeleitete Lastmoment LM überwiegend in die gleiche Richtung. Wie dem Diagramm nach 4 entnehmbar ist, kann vereinfacht angenommen werden, dass das Lastmoment LM unabhängig von der Drehzahl nE des Elektromotors 12 konstant ist. Wird der Elektromotor 12 gegen die Wirkung des Lastmoments LM angetrieben, so muss das erzeugbare Motordrehmoment ME größer als das Lastmoment LM sein. Dies ist ersten Quadranten bis zu einer Grenzdrehzahl nG gegeben. Zusätzlich zum Lastmoment LM hat der Elektromotor 12 ein Reibmoment RM zu überwinden, welches vom Reibelement 15 erzeugt wird. Unter den gegebenen Bedingungen, im ersten Quadranten des Diagramms nach 4, befindet sich das Reibelement 15 im Freilaufmodus, so dass das Reibelement RM lediglich einen sehr geringen Betrag aufweist. Das zum Antrieb der Motorwelle 16 mindestens erforderliche Drehmoment Mmin liegt damit nur knapp über dem Lastmoment LM.
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Wird die Drehzahl nE der Motorwelle 16 auf Null reduziert, so bleibt der Zustand des als Schlingfederfreilauf ausgebildeten Reibelementes 15 zunächst unverändert. Ohne Berücksichtigung des Reibelementes 15 hätte der Elektromotor 12 beim Übergang in den mit GB bezeichneten Gegenstrombremsbetrieb ein Drehmoment zu erzeugen, welches die Motorwelle 16 gegen das in diesem Fall antreibende Lastmoment LM abstützt. Das im Elektromotor 12 erzeugte bremsende Moment steigt in an sich bekannter Weise, wie in 4 veranschaulicht ist, mit zunehmendem Betrag der Drehzahl an. Eine Grenzlinie zwischen dem Bereich des Gegenstrombremsbetriebs GB und einem nicht erreichbaren Bereich nB schneidet die Linie, welche das Lastmoment LM angibt, an einem Schnittpunkt SP. An diesem Schnittpunkt SP entspräche das im Gegenstrombremsbetrieb GB erzeugte Bremsmoment des Elektromotors 12 dem Lastmoment LM. Das heißt, dass an dem Schnittpunkt SP ohne Bestromung des Elektromotors 12 ein stabiler Betrieb vorliegen würde. Bei kleineren Beträgen der Drehzahl nE wäre jedoch ein nennenswerter Energiebedarf des Elektromotors 12 zum Bremsen gegeben, wobei sich die erläuterten Vorgänge innerhalb des zweiten Quadranten, bezogen auf die Darstellung nach 4, abspielen.
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Um den Energiebedarf des Elektromotors 12 bei negativer Drehzahl, das heißt bei Antrieb durch das Lastmoment LM, signifikant zu reduzieren, baut das Reibelement 15 bei Drehrichtungsumkehr der Motorwelle 16 das Reibmoment RM auf, dessen Betrag in diesem Zustand annähernd dem Betrag des Lastmoments LM entspricht. Es verbleibt ein betragsmäßig im Vergleich zu den Gegebenheiten im ersten Quadranten sehr geringes minimales Motormoment Mmin , um den Elektromotor 12 mit negativer Drehzahl zu betreiben. Dies geschieht im dritten Quadranten, bezogen auf die Darstellung nach 4.
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Zur weiteren Erläuterung verschiedener Betriebszustände der VCR-Vorrichtung 1 wird im Folgenden auf 5 verwiesen. Dargestellt sind Abhängigkeiten des mit MA bezeichneten ausgangsseitigen Drehmoments des Untersetzungsgetriebes 1 vom Motordrehmoment ME in verschiedenen Betriebsphasen P1, P2. Würde keine Reibung innerhalb des Untersetzungsgetriebes 13 auftreten, so wäre eine ideale Getriebekennlinie IK gegeben. Die Maßstäbe an den mit ME und MA bezeichneten Achsen sind uneinheitlich. Da das Getriebe 13 hochuntersetzt ist, ist mit einem geringen Motorelement ME des Elektromotors 12 ein vergleichsweise hohes Ausgangsmoment MA des Getriebes 13 erzeugbar.
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Aufgrund der Abweichungen des Getriebes 13 vom kinematischen Idealzustand, insbesondere aufgrund von Reibung, ist beim Betrieb des Untersetzungsgetriebes 13 statt der idealen Getriebekämmlinie IK ein reales Kennfeld RK gegeben. Wird in der Betriebsphase P1 die Motorwelle 16 gegen die Wirkung des Lastmoments LM angetrieben, so ist zusätzlich zu den im Getriebe 13 vorhandenen mechanischen Widerständen eine Elementreibung ER zu überwinden, welche im Freilaufbetrieb des Reibelementes 15 auftritt und dem Reibmoment RM innerhalb des ersten Quadranten, bezogen auf 4, entspricht.
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Insgesamt existiert innerhalb der ersten Betriebsphase P1 mit guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen dem Motordrehmoment ME des Elektromotors 12 und dem ausgangsseitigen Drehmoment MA des Untersetzungsgetriebes 13.
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In der Betriebsphase P2 wird die Motorwelle 16 durch das Lastmoment LM angetrieben, was dem Sperrmodus des Reibelements 15 entspricht. Der Begriff „Sperrmodus“ bedeutet hierbei kein komplettes Sperren, sondern die Erzeugung eines definierten Reibmomentes RM, dessen Betrag einem Vielfachen der im Freilaufbetrieb gegebenen Elementreibung ER entspricht. Ohne Erzeugung eines Drehmoments durch den Elektromotor 12 ist das Reibelement 15 in der Lage, ein Haltemoment HM zu erzeugen, welches die Motorwelle 16 abstützt. Wird, ausgehend von der Betriebsphase P2, der Elektromotor 12 erneut angetrieben, das heißt eine Drehung der Motorwelle 16 in positiver Drehrichtung eingeleitet, was der Betriebsphase P1 entspricht, so schaltet das Reibelement 15 praktisch verzögerungsfrei in den Freilaufbetrieb um, was dem Übergang zwischen dem dritten Quadranten und dem ersten Quadranten, bezogen auf 4, entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- VCR-Vorrichtung
- 2
- Motorblock
- 3
- VCR-Aktuator
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Zwischenelement
- 6
- Pleuel
- 7
- Kolben
- 8
- Nebenpleuel, Abtriebsschubstange
- 9
- Exzenterwelle
- 10
- Zwischenhebel
- 11
- VCR-Verstellwelle, Aktuatorexzenterwelle
- 12
- Elektromotor
- 13
- Untersetzungsgetriebe
- 14
- Gehäuse
- 15
- Reibelement
- 16
- Motorwelle
- 17
- Kurbeltrieb
- DE
- Drehachse der Exzenterwelle
- DK
- Drehachse der Kurbelwelle
- DM
- Drehachse des E-Motors
- EA1, EA2
- Anlenkpunkte an der Exzenterwelle
- ER
- Elementreibung
- GB
- Gegenstrombremsbetrieb
- HM
- Haltemoment
- IK
- ideale Getriebekennlinie
- LM
- Lastmoment
- MA
- ausgangsseitiges Drehmoment
- ME
- Motordrehmoment
- Mmin
- Mindestmotordrehmoment
- NA
- Nebenpleuel-Anlenkpunkt
- nB
- nicht erreichbarer Bereich
- nE
- Drehzahl
- nG
- Grenzdrehzahl
- PA
- Pleuel- Anlenkpunkt
- P1
- Betriebsphase
- P2
- Betriebsphase
- RK
- reales Kennfeld
- RM
- Reibmoment
- SP
- Schnittpunkt
- VA
- Anlenkpunkt der Verstellwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010032441 A1 [0002]
- US 7059280 B2 [0003]
- US 2015/0219009 A1 [0003]
- DE 102016207930 B3 [0012]
- DE 102016205748 B3 [0012]
- WO 2015/144156 A1 [0013]
- DE 102015220680 A1 [0014]
- DE 102015217164 A1 [0014]
