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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem mittels eines Pleuellagers auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel.
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Stand der Technik
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Das Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet ein Verhältnis eines Volumens des gesamten Zylinderraumes zu einem Volumen des Kompressionsraumes. Eine Steigerung des Wirkungsgrades der Hubkolbenbrennkraftmaschine lässt sich durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erzielen, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert.
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Bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit der Erhöhung im Volllastbetrieb die Klopfneigung der betreffenden Zylindereinheiten zunimmt. Das Klopfen wird durch eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches hervorgerufen. Im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, könnte hingegen das Verdichtungsverhältnis zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert aber, dass es insgesamt zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Je nach Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine müsste daher das Verdichtungsverhältnis entsprechend angepasst, also verändert werden.
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Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist im Übrigen besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die mit der Aufladung erzielten Ladedruck insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist.
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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, bei denen das Verdichtungsverhältnis über einen Exzenter verstellt wird, der innerhalb eines Pleuellagerauges des Pleuels angeordneten. Dieser Exzenter nimmt dabei das Pleuellager auf und ist zwischen dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und dem Pleuellagerauge angeordnet. Eine Verstellung des Exzenters durch dessen Verdrehung erfolgt durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Lastkräfte, die aus den Massen- und Gaskräften resultieren. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter wird dabei in seinen Stellungen, vorzugsweise etwa 180° zueinander versetzt, für ein niedriges oder ein hohes Verdichtungsverhältnis verriegelt.
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Eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 197 03 948 A1 bekannt. Danach nimmt ein im Bereich seines Pleuellagerauges geteiltes Pleuel über die Bohrung des Pleuellagerauges eine exzentrische Hülse auf. Diese ist mit einer zylindrischen äußeren Umfangsfläche an einer Innenwand des Pleuellagerauges geführt und soll offenbar als Gleitlager ausgebildet sein. An ihrer inneren Umfangsfläche, die exzentrisch zur äußeren Umfangsfläche versetzt ist, ist die Hülse auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine gleitend geführt. Eine Verdrehung der Hülse in der Bohrung des Pleuellagerauges soll selbsttätig erfolgen. Ausgelöst werden soll diese Bewegung der exzentrischen Hülse durch die auf sie einwirkenden Kräfte, die aus der Drehung der Kurbelwelle bzw. der Pleuelbewegung resultieren. Weiterhin ist die exzentrische Hülse an ihren Enden mit Flanschen versehen, die das Pleuellagerauge übergreifen und in Umfangsrichtung um 180° versetzte Verriegelungsausnehmungen aufweisen. Ein am Pleuel vorgesehenes Verriegelungsglied wird über ein Kurvensegment derart betätigt, dass es nach einer entsprechenden Verdrehung der Hülse wahlweise in die eine oder die andere Verriegelungsausnehmung eingreift. Die exzentrische Verdrehung der Hülse führt dazu, dass sich ein zwischen der Kurbelwelle und dem Pleuel wirksamer Kurbelradius verändert.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, die eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt und kostenmäßig günstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach soll eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein mittels eines Pleuellagers auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagertes Pleuel aufweisen.
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Erfindungsgemäß soll dabei die Vorrichtung zwischen einer Drehachse der Kurbelwelle und dem Kurbelzapfen angeordnet sein, wobei mittels der Vorrichtung ein radialer Abstand zwischen der Drehachse und einer Kurbelzapfenachse veränderbar ist. Dadurch ändern sich der Kurbelradius der Kurbelwelle und somit das Verdichtungsverhältnis der betreffenden Zylindereinheit.
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Demgegenüber ist der Kurbelradius nach der
DE 197 03 948 A1 konstant, wobei die effektive Länge des Pleuels durch die innerhalb des Pleuellagerauges angeordnete Exzenterhülse verändert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sollen radial beabstandet zur Drehachse der Kurbelwelle Schwenklager vorgesehen sein, an denen jeweils eine Schwinge angelenkt ist. Die Schwingen nehmen an ihrem vom Schwenklager abgewandten Ende den Kurbelzapfen auf und sind mittels einer Stelleinrichtung am Schwenklager verschwenkbar.
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Weiterhin soll von zumindest einer der Schwingen ein mit einem Langloch versehenes Hebelteil ausgehen, wobei ein Zapfen, dessen Lage hydraulisch veränderbar ist, in das Langloch eingreift. Dieser Zapfen wird vorzugsweise über einen doppeltwirkenden Hydraulikkolben verstellt.
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Schließlich soll gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zumindest eine der Kurbelwangen der Kurbelwelle einen verdrehbaren Exzenter aufnehmen, an welchem der Kurbelzapfen ausgebildet ist. Durch eine Verdrehung des Exzenters wird der Kurbelzapfen gegenüber der Drehachse der Kurbelwelle radial verstellt.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 mit den abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränken.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Zylindereinheit mit einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses,
- 2 eine weitere perspektivische Schnittdarstellung der Anordnung der 1,
- 3 eine perspektivische Darstellung des Pleuels und der mit diesem verbundenen beiden Schwingen,
- 4 einen Längsschnitt durch eine Zylindereinheit, bei der mittels der Vorrichtung ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist,
- 4A einen vergrößerten Ausschnitt IV A aus der 4,
- 5 einen Längsschnitt durch eine Zylindereinheit, bei der mittels der Vorrichtung ein niedriges Verdichtungsverhältnis eingestellt ist,
- 5A einen vergrößerten Ausschnitt V A aus der 5,
- 6 eine weitere perspektivische Schnittdarstellung der Anordnung der 1, wobei Teilstücke der Kurbelwelle getrennt dargestellt sind,
- 7 als perspektivische Ansicht einen Teilschnitt durch eine die hydraulische Druckmittelversorgung aufweisende Kurbelwange,
- 7A einen vergrößerten Ausschnitt VII A aus der 7,
- 8 eine stirnseitige Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses,
- 9 eine Seitenansicht der Anordnung der 8,
- 10 eine stirnseitige Ansicht der Anordnung der 8 zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung,
- 11 eine perspektivische Ansicht des in der Anordnung verwendeten Exzenters,
- 12 eine perspektivische Ansicht der Kurbelwange mit daran angeordnetem Exzenter sowie Kurbelzapfen und Pleuellager,
- 13 eine weitere perspektivische Ansicht der Anordnung nach 8 und
- 14 als perspektivische Ansicht einen Teilschnitt durch eine die hydraulische Druckmittelversorgung aufweisende Kurbelwange.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In den 1 und 2 ist mit 1 eine Zylinderlaufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, in der ein mit einem Pleuel 2 verbundener Arbeitskolben 3 geführt ist. Dabei ist der Arbeitskolben 3 über einen Kolbenbolzen 4 schwenkbar an dem Pleuel 2 geführt. An einem vom Arbeitskolben 3 abgewandten Ende weist das Pleuel 2 ein Pleuellagerauge 5 auf, über welches das Pleuel 2 an einem Kurbelzapfen 6 angreift.
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Eine Kurbelwelle 7 ist geteilt und besteht dabei aus einem ersten Kurbelwellenabschnitt 7a und einem zweiten Kuppelwellenabschnitt 7b, wobei der erste Kurbelwellenabschnitt 7a eine erste kreisförmige Kurbelwange 8 und der zweite Kurbelwellenabschnitt 7b eine zweite Kurbelwange 9 aufnimmt. Über ein erstes Schwenklager 10 ist eine erste Schwinge 11 auf einem in der ersten Kurbelwange 8 fixierten Bolzen 12 gelagert. Diese erste Schwinge 11 greift mit einem Schenkel 13 an dem Kurbelzapfen 6 an. Außerdem geht von der ersten Schwinge 11 ein Hebelteil 14 aus, welches mit einem Langloch 15 versehen ist. In dieses Langloch 15 greift ein Zapfen 16 ein, der sich von einer in der ersten Kurbelwange 8 angeordneten Stelleinrichtung 17 aus erstreckt.
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Dabei wird eine Schwenkbewegung der ersten Schwinge 11 über den Kurbelzapfen 6 auf eine zweite Schwinge 18 übertragen, die über einen Bolzen 19 schwenkbar in der zweiten Kurbelwange 9 angeordnet ist. Dadurch soll eine synchrone Verstellung beider Schwingen 11 und 18 erfolgen. Durch die Verstellung des Kurbelzapfens 6 mittels der ersten Schwinge 11 und die Übertragung dieser Stellbewegung auf die zweite Schwinge 18 wird der zwischen diesen angeordnete Kurbelzapfen 6 gegenüber einer Längsmittelachse der Kurbelwelle 7 derart verlagert, dass sich aufgrund der Änderung des Abstandes des Kurbelzapfens 6 zur Längsmittelachse der Kurbelwelle 7 der Hub des Arbeitskolbens 3 ändert. Die Folge davon ist eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses.
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In der 3 ist eine aus dem Pleuel 2 und den beiden Schwingen 11 und 18 bestehende Einheit dargestellt. Das Pleuel 2 nimmt über ein Pleuelauge 20 den Kolbenbolzen 4 auf. Wie weiterhin aus der Darstellung hervorgeht, ist zur Bildung des ersten Schwenklagers 10 in der ersten Schwinge 11 ein Nadellager 21 angeordnet, über das die erste Schwinge 11 schwenkbar auf dem in den 1 und 2 dargestellten Bolzen 12 geführt sein soll. Gleichachsig zu diesem Nadellager 21 ist in der zweiten Schwinge 18 ein weiteres Nadellager 22 vorgesehen. Der Kurbelzapfen 6, der durch Bohrungen der beiden Schwingen 11 und 18 verläuft, ist drehfest mit diesen verbunden, so dass diese zueinander eine fixe Lage einnehmen. Außerdem ist innerhalb des Pleuellagerauges 5 ein nicht näher dargestelltes Pleuellager angeordnet.
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In den 4 und 5 sind Längsschnitte durch die entsprechende Zylindereinheit dargestellt. Dabei zeigt die 4 die beiden Schwingen 11 und 18 in einer Position gegenüber den Kurbelwangen 8, in der ein hohes Verdichtungsverhältnis erzielbar ist. In der 4A, bei der es sich um einen vergrößerten Ausschnitt IVA aus der 4 handelt, tritt in einem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens 3 nur ein sehr geringes Abstandsmaß s zwischen einem Kolbenboden 23 des Arbeitskolbens 3 und einem Ende der Zylinderlaufbuchse 1 auf. Dabei verlaufen die Schwingen 11 sowie 18 und das Pleuel 2 in einer Lage des Kurbelzapfens 6, in der dieser sich in seinem oberen Totpunkt befindet, nahezu gestreckt zueinander. Die 5 zeigt die gleiche Anordnung und zwar bei einer Einstellung der Vorrichtung für ein niedriges Verdichtungsverhältnis. Dabei ist der 5A, die wiederum einen vergrößerten Ausschnitt aus der 5 darstellt, zu entnehmen, dass zwischen dem Kolbenboden 23 und dem Ende der Zylinderlaufbuchse 1 ein relativ großes Abstandsmaß s auftritt. Die 5 zeigt, dass dabei das Pleuel 2 und die beiden Schwingen 11 und 18 im oberen Totpunkt des Kurbelzapfens unter einem Winkel zueinander verlaufen. Die 6 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, bei der bereits die aus dem Pleuel 2 und den beiden Schwingen bestehende Einheit an dem ersten Kurbelwellenabschnitt 7a montiert ist. Anschließend wird mit dieser der zweite Kurbelwellenabschnitt 7b verbunden, indem der Bolzen 19 in das Nadellager 22 eingefügt wird.
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Die 7 und 7A zeigen eine hydraulische Steuerung der Stelleinrichtung 17, mit der die Lage des in den vorgenannten Figuren erläuterten Zapfens 16 verändert wird. Danach soll innerhalb der ersten Kurbelwange 8 ein in seine beiden Bewegungsrichtungen verstellbarer Hydraulikkolben 24 angeordnet sein, der mit dem Zapfen 16 zusammenwirkt. Über eine konzentrisch in dem ersten Kurbelwellenabschnitt 7A angeordnete Druckleitung 25 wird einem Ventilschieber 26 Druckmittel zugeführt, wobei dieser an einer Druckfeder 27 abgestürzte Ventilschieber 26 in seiner ersten Stellung das Druckmittel einer ersten Stirnseite des Hydraulikkolbens 24 und in seiner zweiten Schaltstellung einer zweiten Stirnseite des Hydraulikkolbens 24 zuführt. Weiterhin ist in den 7 und 7A ein als Wälzlager ausgebildetes Hauptlager 27 dargestellt, mit dem dieser erste Kurbelwellenabschnitt 7a in einem nicht näher dargestellten Kurbelgehäuse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagert wird.
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Die 8 bis 14 zeigen ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall ist ein Pleuel 29 mit seinem Pleuellager 30 auf einem Exzenter 31 angeordnet, wobei der Exzenter 31 einen Kurbelzapfen 32 bildet. Der an einem Flansch 33 angeordnete Exzenter 31 wird über eine aus zwei Hydraulikkolben 34 und 35 sowie von diesen ausgehenden Zapfen 36 und 37 bestehende Stelleinrichtung 38 derart verstellt, dass der Kurbelzapfen 32 gegenüber einer Kurbelwange 39 verstellt wird. Diese Kurbelwange 39 ist ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Kurbelwellenabschnitt 40 einer zwei- oder mehrteilig ausgebildeten Kurbelwelle 41 verbunden. Dabei werden die Hydraulikkolben 34 und 35 gegenläufig verschoben, so dass sich der Exzenter 31 verdreht. Wie insbesondere aus der 10 hervorgeht, ergibt sich daraus ein Verstellweg c, mit dem das jeweilige Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit verändert wird.
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In der 14 ist in einer Schnittdarstellung die hydraulische Druckmittelversorgung der Verstelleinrichtung dargestellt, wobei erkennbar ist, das wiederum über einen Ventilschieber 42, der in der Kurbelwange 39 angeordnet ist, eine Druckmittelbeaufschlagung der entsprechenden Stirnflächen der beiden Hydraulikkolben 34 und 35 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderlaufbuchse
- 2
- Pleuel
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Kolbenbolzen
- 5
- Pleuellagerauge
- 6
- Kurbelzapfen
- 7
- Kurbelwelle
- 7a
- erster Kurbelwellenabschnitt
- 7b
- zweiter Kurbelwellenabschnitt
- 8
- erste Kurbelwange
- 9
- zweite Kurbelwange
- 10
- erstes Schwenklager
- 11
- erste Schwinge
- 12
- Bolzen
- 13
- Schenkel von 11
- 14
- Hebelteil
- 15
- Langloch
- 16
- Zapfen
- 17
- Stelleinrichtung
- 18
- zweite Schwinge
- 19
- Bolzen
- 20
- Pleuelauge
- 21
- Nadellager
- 22
- Nadellager
- 23
- Kolbenboden
- 24
- Hydraulikkolben
- 25
- Druckleitung
- 26
- Ventilschieber
- 27
- Druckfeder
- 28
- Hauptlager
- 29
- Pleuel
- 30
- Pleuellager
- 31
- Exzenter
- 32
- Kurbelzapfen
- 33
- Flansch
- 34
- Hydraulikkolben
- 35
- Hydraulikkolben
- 36
- Zapfen
- 37
- Zapfen
- 38
- Stelleinrichtung
- 39
- Kurbelwange
- 40
- Kurbelwellenabschnitt
- 41
- Kurbelwelle
- 42
- Ventilschieber
- s
- Abstandsmaß zwischen 23 und Ende von 1
- c
- Verstellweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19703948 A1 [0007, 0012]
