DE102017207644A1

DE102017207644A1 - Verfahren zum Verändern eines zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses e einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102017207644A1
Application number: DE102017207644.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Wirth; Maziar Khosravi; Bernd Steiner; Jens Dunstheimer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US10815909B2; CN108798892A; CN108798892B; US20180320604A1

Abstract

Verfahren zum Verändern eines Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb (1) umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ωumlaufende Kurbelwelle (2), bei der- jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT,- die Kurbelwelle (2) für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung (2a) aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen (2a) entlang der Längsachse der Kurbelwelle (2) beabstandet zueinander angeordnet sind, und- für jeden Zylinder eine Pleuelstange (3) vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge (3a) zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse (4) als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung (2a) gelagert ist, wobei- das Verdichtungsverhältnis ε während der Expansionsphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse (4) relativ zur Kurbelwellenkröpfung (2a) unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT vergrößert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) vergrößert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern eines zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft umlaufende Kurbelwelle, bei der

- jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT,
- die Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, und
- für jeden Zylinder eine Pleuelstange vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung gelagert ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. fremdgezündete Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben und mittels Fremdzündung gezündet werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der fremdgezündeten Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen der genannten Art verfügen über einen Kurbeltrieb, der eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle umfasst, die für jeden Zylinder eine zylinderzugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, auf der eine zylinderzugehörige Pleuelstange gelagert ist. Die Kurbelwellenkröpfungen der Zylinder sind entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet.
Eine Pleuelstange ist nach dem Stand der Technik mit einem kleinen Pleuelauge und einem großen Pleuelauge ausgestattet. Die Pleuelstange ist dabei über einen in dem kleinen Pleuelauge angeordneten Kolbenbolzen mit einem Kolben gelenkig verbunden und mit dem großen Pleuelauge auf einem Kurbelzapfen, d. h. Hubzapfen der Kurbelwelle, einer sogenannten Kurbelwellenkröpfung, drehbar gelagert.
Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Die Gaskräfte, mit denen der Kolben beaufschlagt wird, werden auf diese Weise über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und von dieser auf die Kurbelwelle übertragen.
Durch die beschriebene Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange und Kurbelwelle wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Pleuelstange bewegt sich dabei abgesehen von einem geringen rotatorischen Anteil überwiegend oszillierend in Richtung Zylinderlängsachse.
Die Gaskräfte drücken den Kolben in Richtung Zylinderlängsachse nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt OT dem Kolben durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung aufgezwungen wird. Der Kolben, der mit seiner nach unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muss bei dieser abwärts gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben die auf ihn wirkenden Gaskräfte über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und versucht diese nach unten zu beschleunigen. Nähert sich der Kolben dem unteren Totpunkt UT wird dieser mitsamt der Pleuelstange verzögert, um dann im unteren Totpunkt UT eine Bewegungsumkehr zu vollziehen. Die Wegstrecke, die der Kolben auf seinem Weg zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unterem Totpunkt UT zurücklegt, wird als Kolbenhub s bezeichnet.
Das Hubvolumen V_h eines Zylinders ergibt sich aus der Kolbenfläche A_K und dem Kolbenhub s zu: V_h = A_K · s. Das Zylindervolumen bei im oberen Totpunkt OT befindlichem Kolben wird als Kompressionsvolumen V_C bezeichnet. Das Zylindervolumen im unteren Totpunkt UT des Kolbens ergibt sich aus der Summe von Hubvolumen V_h und Kompressionsvolumen V_c.
Für das geometrische Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine bzw. des einzelnen Zylinders gilt: $ε = l + V_{h} / V_{c}$
Während Dieselmotoren prinzipbedingt mit sehr hohen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, um eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten, ist bei Ottomotoren das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis ε_max wegen der Klopfneigung im Volllastbetrieb, d. h. der Neigung zu Selbstzündungen im noch unverbrannten Gemisch, auf vergleichsweise niedrige Verdichtungsverhältnisse von beispielsweise ε ≈ 10 bei Saugmotoren zu begrenzen.
Bei aufgeladenen Motoren, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, muss das geometrische Verdichtungsverhältnis für eine klopffreie Verbrennung weiter abgesenkt werden, beispielsweise auf ε ≈ 8 ... 9 begrenzt werden.
Nachteilig sind die relativ kleinen Verdichtungsverhältnisse des Ottomotors insbesondere im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, d. h. im Hinblick auf den Wirkungsgrad. Grundsätzlich nimmt der Wirkungsgrad η mit abnehmendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls ab. D. h. im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses sollte die Zylinderfrischladung möglichst hoch verdichtet werden, was auch aus den oben genannten Gründen, insbesondere der Klopfneigung des Ottomotors nahe der Volllast, nicht uneingeschränkt durchführbar ist.
Ein konstruktiver Ansatz zur Auflösung dieses Konfliktes besteht darin, die Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ε auszustatten und zwar in der Art, dass das Verdichtungsverhältnis ε mit abnehmender Last, d. h. ausgehend von der Volllast in Richtung Teillast, erhöht wird. Auf diese Weise könnte ein grundlegender, teillastspezifischer Nachteil des Ottomotors gegenüber dem Dieselmotor zumindest teilweise kompensiert werden.
Aufgrund der Tatsache, dass eine Brennkraftmaschine überwiegend im Teillastbereich betrieben wird, bietet dies im Hinblick auf die erzielbare Kraftstoffersparnis ein hohes Potential. Eine wirkungsgradoptimierte Veränderung bzw. Anpassung des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Betriebspunkt im Motorkennfeld erlaubt auch bei Ottomotoren im Teillastbereich Verdichtungsverhältnisse ε ≈ 14 ... 15 und damit eine signifikante Verbrauchsreduzierung.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze zur Realisierung eines veränderbaren Verdichtungsverhältnisses ε bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine bekannt, von denen einige im Folgenden beispielhaft kurz vorgestellt werden sollen.
Eine Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange als zweiteilige Pleuelstange auszuführen. Dabei umfasst die Pleuelstange ein oberes Pleuel, das mit dem Kolben gelenkig verbunden ist, und ein unteres Pleuel, das an der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das obere Pleuel und das untere Pleuel ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sind, um auf diese Weise gegeneinander verschwenkt werden zu können. Wird der Abstand der beiden Pleuelaugen entlang ihrer Verbinnungslinie als Pleuellänge verstanden, kann diese Länge durch Verschwenken des oberen und des unteren Pleuels gegeneinander, d. h. durch ein mehr oder weniger starkes Knicken der zweiteiligen Pleuelstange verändert werden.
Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt dabei mittels einer Anlenkstange, die gelenkig mit dem oberen Pleuel verbunden ist und drehbar auf einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle aufgenommen wird. Durch ein Verdrehen der Exzenterwelle und der sich daraus ergebenden Veränderungen der Kolbentotpunktlagen kann das Verdichtungsverhältnis in weiten Grenzen, beispielsweise zwischen ε_min ≈ 8 und ε_max ≈ 15, variiert werden.
Die mechanische Verstellvorrichtung ist ein Nachteil des beschriebenen Konzeptes, denn ein beachtlicher Teil der Verstellvorrichtung, insbesondere der Anlenkstange, nimmt an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebs teil.
Die oszillierende Bewegung des Kolbens und der Pleuelstange zusammen mit den Bauteilen der Verstellvorrichtung führt zu hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, die mit dem Quadrat der Kurbelwellendrehzahl zunehmen und entsprechend hohe dynamische Trägheitskräfte verursachen. Diese dynamischen Trägheitskräfte belasten den Kurbeltrieb erheblich und spielen bei der Auslegung der Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit eine maßgebliche Rolle.
Es ist daher grundsätzlich ein Ziel der Konstrukteure, die oszillierenden Massen möglichst gering zu halten und die Bauteile materialsparend auszulegen, wobei die erforderliche Festigkeit der Bauteile dieser Vorgehensweise Grenzen setzt. Der Einsatz einer mechanischen Verstellvorrichtung, die wesentlich an der oszillierenden Bewegung teilnimmt, steht damit dem Ziel, die oszillierenden Massen zu reduzieren, entgegen.
Eine andere Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange aus mehreren Pleuelstangenstücken aufzubauen, die teleskopartig ineinander verschiebbar angeordnet sind. Diese Pleuelstange ist ebenfalls eine Pleuelstange der eingangs genannten Art. Eine Variation der Länge der Pleuelstange erfolgt durch ein Zusammenschieben oder Auseinanderziehen der Pleuelstangenstücke. Hierzu ist wiederum eine mechanische Verstellvorrichtung erforderlich, die prinzipbedingt, wie die zuvor beschriebene Verstellvorrichtung, mechanisch mit der Pleuelstange gekoppelt sein muss, wodurch ein Teil dieser Verstellvorrichtung wiederum an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teilnimmt. Die Nachteile sind die oben bereits Genannten.
Darüber hinaus führen die aus dem Stand der Technik bekannten in der Länge veränderbaren Pleuelstangen per se schon zu einer Zunahme der oszillierenden und rotierenden Massen gegenüber einer herkömmlichen Pleuelstange, was die beschriebenen nachteiligen Effekte noch verstärkt.
Aus dem Stand der Technik sind auch Lösungsansätze bekannt, bei denen im kleinen oder großen Pleuelauge eine Exzenterbuchse als Zwischenelement der Lagerung vorgesehen wird. Die Exzenterbuchse ist verdrehbar, beispielsweise zwischen verschiedenen Arbeitspositionen stufig schaltbar, wobei die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse ε aus den verschiedenen Totpunktlagen des Kolbens in den verschiedenen Arbeitspositionen der Exzenterbuchse resultieren.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 44 669 A1 beschreibt eine Pleuelstange, bei der eine Exzenterbuchse im großen Pleuelauge angeordnet ist. Um die Exzenterbuchse zu arretieren bzw. freizugeben, ist ein Verriegelungselement einer Verriegelungsvorrichtung vorgesehen, welches mit der Buchse in Eingriff gebracht werden kann. Die Steuerung, d. h. Betätigung der mechanischen Verriegelungseinrichtung umfassend einen Zylinder und einen in diesem Zylinder verschiebbaren Kolben kann hydraulisch mittels Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf oder mittels Druckluft erfolgen. Eine Vorrichtung, mit der die entriegelte Exzenterbuchse gezielt in eine vorgebbare Position verdreht wird bzw. verdreht werden kann, offenbart die DE 199 44 669 A1 nicht. Dies ist ein grundsätzliches Defizit der im Stand der Technik beschriebenen Konzepte zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε.
Soweit im Stand der Technik Konzepte beschrieben werden, die sich durch den Einsatz einer Exzenterbuchse auszeichnen, erschöpfen sich diese in der Regel in Vorrichtungen und Verfahren zur Arretierung bzw. Freigabe der Buchse. Die einmal freigegebene Exzenterbuchse wird sich selbst überlassen, d. h. auf den Verdrehvorgang der Buchse selbst wird kein Einfluss genommen.
Wie die DE 199 44 669 A1 beschreibt auch die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 30 428 A1 keine Verstellvorrichtung für die Exzenterbuchse im eigentlichen Sinne, sondern vielmehr eine Arretiereinrichtung, mit der die Buchse fixiert bzw. freigegeben werden kann. Das Verdrehen der freigegebenen Exzenterbuchse als solches erfolgt durch die an der Buchse angreifenden Lagerreaktionskräfte, ohne dass gezielt auf den Verdrehvorgang Einfluss genommen wird bzw. werden kann.
Eine Verbesserung gegenüber anderen Exzenter-Verstellvorrichtungen, wie sie die DE 197 03 948 C1 und die EP 0 438 121 A1 beschreiben, besteht gemäß der DE 102 30 428 A1 darin, dass die erneute Arretierung der entriegelten Buchse nicht erst nach mehreren Arbeitsspielen erfolgt und sich die entriegelte Buchse nicht undefiniert im großen Pleuelauge bewegt, d. h. verdreht, da eine in der DE 102 30 428 A1 vorgeschlagene Sperreinrichtung ein Verdrehen nur in ein Richtung zulässt.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über einen Kurbeltrieb, bei dem für jeden Zylinder eine Pleuelstange vorgesehen ist, die im großen Pleuelauge unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung gelagert ist, wodurch sich ein variables zylinderzugehöriges Verdichtungsverhältnis ε realisieren lässt. Vorteilhaft wäre es, wenn sich die zylinderzugehörigen Exzenterbuchsen gezielt und bedarfsgerecht verstellen ließen, um das Verdichtungsverhältnis ε wirkungsgradoptimiert an den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinders anpassen zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem sich der Wirkungsgrad η der fremdgezündeten Brennkraftmaschine weiter erhöhen, d. h. vergrößern lässt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Verändern eines zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft umlaufende Kurbelwelle, bei der

- jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT,
- die Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, und
- für jeden Zylinder eine Pleuelstange vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung gelagert ist,

OT

Erfindungsgemäß wird das Verdichtungsverhältnis ε eines Zylinders nicht lastabhängig bzw. betriebspunktspezifisch variiert, sondern vielmehr innerhalb des momentan ablaufenden Arbeitsspiels des jeweiligen Zylinders.
Insofern gestattet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik eine weitergehende Anpassung des Verdichtungsverhältnisses ε an den momentanen Betriebszustand des einzelnen bzw. jeweiligen Zylinders. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter erhöhen.
Die zylinderzugehörigen Exzenterbuchsen werden gezielt und bedarfsgerecht verstellt. So wird das Verdichtungsverhältnis ε während der Expansionsphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse relativ zur Kurbelwellenkröpfung unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT vergrößert. Hierzu wird der untere Totpunkt UT durch Verdrehen der Exzenterbuchse in der Art verlagert, dass der Abstand zum unveränderten oberen Totpunkt OT vergrößert wird, d. h. der Kolbenhub s vergrößert sich.
Diese Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses ε während der Expansionsphase ist eine Maßnahme, mit welcher der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Der technische bzw. thermodynamische Effekt dieser erfindungsgemäßen Maßnahme beruht auf dem Umstand, dass die im Zylinder befindlichen Gase infolge der ablaufenden Verbrennung regelmäßig auch dann noch unter Druck stehen, wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das mindestens eine Auslassventil nahe des unteren Totpunktes UT öffnet, und dies, obwohl sich die im Zylinder befindlichen Gase infolge eines sich in der Expansionsphase auf den unteren Totpunkt zu bewegenden Kolbens bereits entspannt haben.
Wenn das mindestens eine Auslassventil zwecks Abführen der Verbrennungsgase öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die ventilzugehörige Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Erst im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und im Abgasabführsystem an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden. Infolgedessen bleibt der zu Beginn des Ladungswechsels hohe Druck im Zylinder thermodynamisch ungenutzt. Da die in den unter Druck stehenden Gasen noch enthaltene Energie nicht dazu genutzt wird, um Arbeit am Kolben zu leisten, sondern vielmehr für die Evakuierung der Abgase aus dem Zylinder eingesetzt wird, geht diese Energie für die Brennkraftmaschine verloren.
Thermodynamisch vorteilhafter ist es, den Druck im Zylinder vor dem Öffnen des mindestens einen Auslassventils möglichst weit abzusenken, d. h. die Expansion der im Zylinder befindlichen Gase weitestgehend zw. weiter voranzutreiben. Hierzu ist die Verlängerung der Expansionsphase, d. h. die Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses ε in der erfindungsgemäßen Weise die geeignete Maßnahme. Die Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt erfindungsgemäß durch Verlagerung des unteren Totpunktes und der damit einhergehenden Vergrößerung des Kolbenhubes s, denn es gilt für das geometrische Verdichtungsverhältnis: ε = 1 + V_h / V_c mit V_h = A_K · s, wobei A_K die Kolbenfläche und s den Kolbenhub bezeichnet.
Es gibt weitere Maßnahmen, mit denen das zylinderzugehörige Verdichtungsverhältnis ε innerhalb eines momentan ablaufenden Arbeitsspiels verändert werden kann, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Auf diese Maßnahmen wird in Zusammenhang mit den vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher eingegangen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren aufgezeigt, mit dem sich der Wirkungsgrad η der fremdgezündeten Brennkraftmaschine weiter erhöhen, d. h. vergrößern lässt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε während einer auf die Expansionsphase folgenden Ausschiebephase durch Verdrehen der Exzenterbuchse relativ zur Kurbelwellenkröpfung unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT verkleinert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse verkleinert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Wie bereits erwähnt, gibt es weitere Maßnahmen, mit denen das zylinderzugehörige Verdichtungsverhältnis ε innerhalb eines momentan ablaufenden Arbeitsspiels verändert werden kann, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Die vorstehende Verfahrensvariante verkleinert das Verdichtungsverhältnis ε während der Ausschiebephase, welche der Expansionsphase folgt. Diese Maßnahme dient bereits der Vorbereitung der nächsten Kompressionsphase, welche mit einem möglichst hohen bzw. maximalen Verdichtungsverhältnis ε_compression durchgeführt werden soll. Für die kommende Kompressionsphase gilt unverändert der grundsätzliche kausale Zusammenhang, dass der Wirkungsgrad η mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls zunimmt. Im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses sollte die Zylinderfrischladung daher in der Kompressionsphase möglichst hoch verdichtet werden, d. h. das Verdichtungsverhältnis ε_compression möglichst hoch sein. Nichtsdestotrotz muss berücksichtigt werden, dass das Verdichtungsverhältnis ε_compression in der Kompressionsphase erfindungsgemäß kleiner bzw. niedriger ist als das Verdichtungsverhältnis ε_expansion in der Expansionsphase, da andere reglementierende Umstände, wie beispielsweise die Klopfneigung, zu berücksichtigen sind. Insofern ist das Verdichtungsverhältnis ε ausgehend von der Expansion für die Kompression zu verkleinern. Die Exzenterbuchse wird dementsprechend verdreht, wobei dieses Verdrehen vorzugsweise eine Fortsetzung der Drehbewegung während der Expansionsphase ist bzw. darstellt, vorteilhafterweise mit gleichgroßer Verdrehgeschwindigkeit, d. h. Winkelgeschwindigkeit Ω_excenter.
Das vorstehend Gesagte gilt in analoger Weise auch für die folgende Verfahrensvariante, bei der ein weiteres Verdrehen der Exzenterbuchse ebenfalls der Vorbereitung der kommenden Kompressionsphase dient, d. h. der Verdichtung der Zylinderfrischladung in der Kompressionsphase mit einem möglichst hohen bzw. großen Verdichtungsverhältnis ε_compression.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε während einer der Kompressionsphase vorangehenden Ansaugphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse relativ zur Kurbelwellenkröpfung unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT verkleinert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse verkleinert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Die beiden vorstehenden Verfahrensvarianten beziehen sich prinzipbedingt auf eine 4-Takt-Brennkraftmaschine, bei der ein Arbeitsspiel neben der Expansionsphase und der Kompressionsphase eine Ansaugphase sowie eine Ausschiebephase umfasst. Die beiden letztgenannten Arbeitstakte entfallen beim 2-Takt-Verfahren bzw. bei einer 2-Takt-Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε während der Kompressionsphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse relativ zur Kurbelwellenkröpfung unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT vergrößert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse vergrößert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Die vorstehende Verfahrensvariante vergrößert das Verdichtungsverhältnis ε während der Kompressionsphase, welche der Expansionsphase vorangeht. Diese Maßnahme dient bereits der Vorbereitung der Expansionsphase, welche mit einem möglichst hohen bzw. großen Verdichtungsverhältnis ε_expansion durchgeführt werden soll, um den im Zylinder befindlichen Gasen möglichst viel Energie entziehen zu können. Die Exzenterbuchse wird dementsprechend verdreht, wobei dieses Verdrehen vorzugsweise wiederum eine Fortsetzung der vorangegangenen Drehbewegungen ist.
Sämtliche Verdrehbewegungen der Exzenterbuchse erfolgen kontinuierlich und werden vorzugsweise mit gleichgroßer Verdrehgeschwindigkeit, d. h. Winkelgeschwindigkeit Ω_excenter durchgeführt bzw. absolviert.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse kontinuierlich erfolgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse mit einer Drehzahl Ω_excenter erfolgt, wobei gilt Ω_excenter = 0,5 Ω_crankshaft.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse mit einer Drehzahl Ω_excenter erfolgt, wobei gilt Ω_excenter = 1,5 Ω_crankshaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse gleichsinnig mit der Kurbelwelle erfolgt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse gegensinnig zur Kurbelwelle erfolgt.
Dass das Verdrehen der Exzenterbuchse im Einzelfall gleichsinnig mit der Kurbelwelle, aber auch gegensinnig zur Kurbelwelle erfolgen kann, führt zu einer gewissen Flexibilität bei der Konzipierung der Verstellmechanik zum Verdrehen der Exzenterbuchse, d. h. der Verdrehvorrichtung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse zwangsgesteuert unter Verwendung der Kurbelwelle erfolgt. Die Kurbelwelle zum Verdrehen der Exzenterbuchse, als Bestandteil der Verdrehvorrichtung, zu nutzen, ist sinnvoll und vorteilhaft, da die Exzenterbuchse relativ zur Kurbelwelle, nämlich zur Kurbelwellenkröpfung zu verdrehen ist. Dabei dient die umlaufende Kurbelwelle regelmäßig als Antriebswelle für die Verdrehvorrichtung der Exzenterbuchse, beispielsweise als Getriebeeingangswelle oder als Sonnenrad eines planetenähnlichen Getriebes.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse unter Verwendung eines buchsenzugehörigen Getriebes erfolgt. Ein Getriebe mit einem festen Übersetzungsverhältnis i sorgt für ein kontinuierliches Verdrehen der Exzenterbuchse, insbesondere für ein gezieltes und reproduzierbares Verdrehen. Vorliegend kann das Getriebe im Kurbelgehäuse oder außerhalb des Kurbelgehäuses angeordnet sein und zur Steuerung der Verdrehbewegung einer Exzenterbuchse oder mehrerer Exzenterbuchsen dienen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdrehen der Exzenterbuchse unter Verwendung eines buchsenzugehörigen und im Kurbelgehäuse angeordneten Getriebes erfolgt, umfassend

- ein im Kurbelgehäuse gehäusefest gelagertes Hohlrad, welches eine Innenverzahnung aufweist,
- ein mit der Exzenterbuchse fest verbundenes Hilfsrad, welches eine Außenverzahnung aufweist und auf der buchsenzugehörigen Kurbelwellenkröpfung drehbar gelagert ist, und
- ein Planetenrad, welches auf einem Zapfen eines fest mit der Kurbelwelle verbundenen Planetenträgers drehbar gelagert ist, wobei das Planetenrad eine Außenverzahnung aufweist, welche sich mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff befindet, und eine Innenverzahnung aufweist, welche sich mit der Außenverzahnung des Hilfsrades in Eingriff befindet.

Die vorstehende getriebeähnliche Verstellmechanik zum Verdrehen der Exzenterbuchse hat den Vorteil, dass die Verstellmechanik nicht an der oszillierenden Bewegung des Kurbeltriebs teilnimmt, sondern nur an der rotierenden Bewegung und dies nur in geringem Umfang. Die oszillierende Masse des Kurbeltriebs wird also nicht vergrößert.
Die im Kurbelgehäuse angeordneten Getriebe sorgen für eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine bzw. der gesamten Antriebseinheit und für ein möglichst dichtes Packaging im Motorraum eines Fahrzeuges. Zudem kann die Ölschmierung der Brennkraftmaschine bzw. der Kurbelwelle für die buchsenzugehörigen Getriebe genutzt werden.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer zuvor beschriebenen Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft umlaufende Kurbelwelle, bei der

- jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT,
- die Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, und
- für jeden Zylinder eine Pleuelstange vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung gelagert ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Verändern des zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine für jede Exzenterbuchse ein buchsenzugehöriges und im Kurbelgehäuse angeordnetes Getriebe vorgesehen ist, umfassend
- ein im Kurbelgehäuse gehäusefest gelagertes Hohlrad, welches eine Innenverzahnung aufweist,
- ein mit der Exzenterbuchse fest verbundenes Hilfsrad, welches eine Außenverzahnung aufweist und auf der buchsenzugehörigen Kurbelwellenkröpfung drehbar gelagert ist, und
- ein Planetenrad, welches auf einem Zapfen eines fest mit der Kurbelwelle verbundenen Planetenträgers drehbar gelagert ist, wobei das Planetenrad eine Außenverzahnung aufweist, welche sich mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff befindet, und eine Innenverzahnung aufweist, welche sich mit der Außenverzahnung des Hilfsrades in Eingriff befindet.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Verstellvorrichtung im eigentlichen Sinne, mit der auf den Verdrehvorgang der Buchse gezielt Einfluss genommen werden kann. Erfindungsgemäß wird die verdrehbare Exzenterbuchse nicht sich selbst überlassen, sondern mittels einer mit der Buchse kinematisch verbundenen Verstellmechanik, nämlich eines planetenähnlichen Getriebes, gezielt verdreht, d. h. in die jeweils momentan erforderliche Position relativ zur Kurbelwellenkröpfung gebracht bzw. überführt. Es erfolgt eine Zwangssteuerung der Buchse, d. h. ein kontrolliertes gesteuertes Verdrehen der Buchse.
Jede Exzenterbuchse wird entsprechend dem Arbeitsspiel des zugehörigen Zylinders verdreht, um das Verdichtungsverhältnis ε wirkungsgradoptimiert an den momentanen Arbeitstakt des einzelnen Zylinders anzupassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das Getriebe (5) mit einem Übersetzungsverhältnis i = Ω_excenter / Ω_crankshaft ausgelegt ist, für das gilt: i = 0,5.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine sein, bei denen das Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis i = Ω_excenter / Ω_crankshaft ausgelegt ist, für das gilt: i = 1,5.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a, 2b, 3a und 3b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch die Kolbenstellung eines Zylinders für eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit konstantem Verdichtungsverhältnis sowie die Kolbenstellung eines Zylinders für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäß veränderbarem Verdichtungsverhältnis,
2a schematisch die Lageänderung der Exzenterbuchse gegenüber der Kurbelwellenkröpfung bei umlaufender Kurbelwelle für die Expansionsphase und die Ausschiebephase,
2b schematisch die Lageänderung der Exzenterbuchse gegenüber der Kurbelwellenkröpfung bei umlaufender Kurbelwelle für die Ansaugphase und die Kompressionsphase,
3a schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den Kurbeltrieb einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, und
3b schematisch in einer gegenüber 3a um 90° gedrehten Seitenansicht und ebenfalls teilweise geschnitten den in 3a dargestellten Kurbeltrieb.

1 zeigt schematisch die Kolbenstellung eines Zylinders für eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit konstantem Verdichtungsverhältnis ε sowie die Kolbenstellung eines Zylinders für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäß veränderbarem Verdichtungsverhältnis ε_compression, ε_expansion.
Die gestrichelte Linie in 1 versinnbildlicht die Kolbenstellung eines Zylinders für eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit konstantem Verdichtungsverhältnis ε. Der Kolben oszilliert zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT.
Die durchgezogene Linie in 1 zeigt die Kolbenstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, bei der das Verdichtungsverhältnis ε in der erfindungsgemäßen Weise verändert bzw. angepasst wird.
In der Kompressionsphase bewegt sich der Kolben von einem unteren Totpunkt UT_compression auf den oberen Totpunkt OT zu. Das Verdichtungsverhältnis ε_compression wird in der Kompressionsphase bereits vergrößert für die nachfolgende Expansionsphase, in welcher der Kolben sich vom oberen Totpunkt OT auf einen durch Verdrehen der Exzenterbuchse verlagerten unteren Totpunkt UT_expansion zu bewegt. Das Verdichtungsverhältnis ε_expansion wird in der Expansionsphase weiter vergrößert, damit sich die im Zylinder befindlichen Gase weiter entspannen und dabei weiter Arbeit am Kolben leisten können. In den sich anschließenden beiden Arbeitstakten, der Ausschiebephase sowie der Ansaugphase wird das Verdichtungsverhältnis ε in Vorbereitung auf die nächste Kompressionsphase weiter verkleinert.
Zwar soll auch gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zylinderfrischladung in der Kompressionsphase möglichst hoch verdichtet werden. Jedoch ist das Verdichtungsverhältnis ε_compression der Kompressionsphase vorliegend kleiner niedriger als das Verdichtungsverhältnis ε_expansion der Expansionsphase. Der Kolbenhub s, d. h. die Wegstrecke zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT_compression bzw. UT_expansion ist in der Kompressionsphase kleiner als in der Expansionsphase.
2a zeigt schematisch die Lageänderung der Exzenterbuchse 4 gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 2a bei umlaufender Kurbelwelle für die Expansionsphase und die Ausschiebephase.
Das Verdrehen der Exzenterbuchse 4 erfolgt gleichsinnig mit der umlaufenden Kurbelwelle bzw. der Kurbelwellenkröpfung 2a, nämlich jeweils im Uhrzeigersinn, wobei die Drehzahl Ω_excenter der Exzenterbuchse 4 halb so groß ist wie die Drehzahl Ω_crankshaft der Kurbelwelle. Es gilt Ω_excenter = 0,5 Ω_crankshaft.
Die Lageänderung der Exzenterbuchse 4 gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 2a ist für acht Kurbelwellenstellungen, die jeweils 90°KW (Grad Kurbelwinkel) zueinander beabstandet sind, dargestellt. Die acht Kurbelwellenstellungen sind durchnummeriert.
Ausgehend von einem im oberen Totpunkt OT befindlichen Kolben (Stellung 1) ändert die Exzenterbuchse 4 bei umlaufender Kurbelwelle gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 2a ihre Lage während der Expansionsphase (Stellung 1 bis Stellung 3) durch Verdrehen in der Art, dass sich der untere Totpunkt UT_expansion verlagert (Stellung 3). Dadurch vergrößert sich der Kolbenhub s und infolgedessen das Verdichtungsverhältnis ε.
Auf die Expansionsphase (Stellung 1 bis Stellung 3) folgen die Ausschiebephase (Stellung 3 bis Stellung 5) und die Ansaugphase (Stellung 5 bis Stellung 7). Sowohl in der Ausschiebephase als auch in der Ansaugphase wird das Verdichtungsverhältnis ε verkleinert, indem der Kolbenhub s durch Verdrehen der Exzenterbuchse 4 relativ zur Kurbelwellenkröpfung 2a verkleinert und infolgedessen der untere Totpunkt UT_compression verlagert wird. Dies dient der Vorbereitung der Kompressionsphase (Stellung 7 bis Stellung 1), deren Verdichtungsverhältnis ε_compression kleiner ist als das Verdichtungsverhältnis ε_expansion der Expansionsphase (Stellung 1 bis Stellung 3).
Während der Kompressionsphase (Stellung 7 bis Stellung 1) wird das Verdichtungsverhältnis ε unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT wieder vergrößert wird, indem der Kolbenhub s durch Verdrehen der Exzenterbuchse 4 relativ zur Kurbelwellenkröpfung 2a vergrößert und infolgedessen der untere Totpunkt UT_expansion verlagert wird.
Die Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses ε während der Kompressionsphase (Stellung 7 bis Stellung 1) dient der Vorbereitung der Expansionsphase (Stellung 1 bis Stellung 3), welche der Kompressionsphase folgt.
Sämtliche Verdrehbewegungen der Exzenterbuchse erfolgen kontinuierlich mit gleichgroßer Verdrehgeschwindigkeit, d. h. Winkelgeschwindigkeit Ω_excenter.
2b zeigt schematisch die Lageänderung der Exzenterbuchse 4 gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 2a bei umlaufender Kurbelwelle für die Ansaugphase (Stellung 5 bis Stellung 7) und die Kompressionsphase (Stellung 7 bis Stellung 1).
3a zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den Kurbeltrieb 1 einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine. 3b zeigt diesen Kurbeltrieb 1 in einer gegenüber 3a um 90° gedrehten Seitenansicht und ebenfalls teilweise geschnitten.
Der Kurbeltrieb 1 umfasst eine Kurbelwelle 2 und eine auf der Kurbelwelle 2 gelagerte Pleuelstange 3, wobei die Kurbelwelle 2 im Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine und die Pleuelstange 3 auf einer Kurbelwellenkröpfung 2a der Kurbelwelle 2, d. h. einem Hubzapfen 2a, gelagert ist. Der Hubzapfen 2a ist in Kurbelwangen 2b der Kurbelwelle 2 gelagert. Ein vorgesehenes Ausgleichsgewicht 2c dient dem Ausgleich der Massenkräfte der rotierenden Massen.
Die Pleuelstange 3 verfügt über ein kleines Pleuelauge und ein großes Pleuelauge 3a. Das kleine Pleuelauge dient der gelenkigen Verbindung der Pleuelstange 3 mit dem Kolben mittels Kolbenbolzen. Im großen Pleuelauge 3a ist die Pleuelstange 3 unter Verwendung einer Exzenterbuchse 4 als Zwischenelement auf einem Hubzapfen 2a der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert. Zwecks Montage ist das vom großen Pleuelauge 3a realisierte kurbelwellenseitige Pleuellager sowie die Exzenterbusche 4 zweiteilig ausgebildet, um auf dem Hubzapfen 2a der Kurbelwelle 2 montiert werden zu können (nicht dargestellt).
Zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε ist die Exzenterbuchse 4 im großen Pleuelauge 3a verdrehbar gelagert. Der Kolbenhub s wird durch das Verdrehen der Exzenterbuchse 4 relativ zur Kurbelwellenkröpfung 2a unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT und Verlagerung des unteren Totpunktes UT verändert. Infolgedessen vergrößert bzw. verkleinert sich das Verdichtungsverhältnis ε durch das Verdrehen der Exzenterbuchse 4.
Vorliegend erfolgt das Verdrehen der Exzenterbuchse 4 gleichsinnig mit der umlaufenden Kurbelwelle 2, nämlich - wie durch Pfeile kenntlich gemacht - im Uhrzeigersinn, wobei sich die Exzenterbuchse 4 mit einer Drehzahl Ω_excenter dreht, die eineinhalb mal so groß ist wie die Drehzahl Ω_crankshaft der Kurbelwelle 2. Es gilt: Ω_excenter = 1,5 Ω_crankshaft.
Als Verstellmechanik bzw. Verdrehvorrichtung für die Buchse 4 dient ein Getriebe 5. Dabei ist für jede Buchse 4 ein eigenes buchsenzugehöriges Getriebe 5 im Kurbelgehäuse angeordnet.
Ein buchsenzugehöriges Getriebe 5 umfasst ein Hohlrad 6, welches im Kurbelgehäuse gehäusefest gelagert ist und das eine Innenverzahnung 6a aufweist, sowie ein mit der Exzenterbuchse 4 drehfest verbundenes Hilfsrad 7, welches auf der buchsenzugehörigen Kurbelwellenkröpfung 2a unter Verwendung eines Lagers 7b drehbar gelagert ist und das eine Außenverzahnung 7a aufweist. Ein Planetenrad 8, welches auf einem Zapfen 9a eines fest mit der Kurbelwelle 2 verbundenen Planetenträgers 9 unter Verwendung eines Lagers 8c drehbar gelagert ist, dient der kinematischen Kopplung des Hilfsrades 7 mit dem Hohlrad 6. Dabei befindet sich eine Außenverzahnung 8a des Planetenrades 8 mit der Innenverzahnung 6a des Hohlrades 6 in Eingriff, wohingegen sich eine Innenverzahnung 8b des Planetenrades 8 mit der Außenverzahnung 7a des Hilfsrades 7 in Eingriff befindet.
Das Planetenrad 8 dreht sich vorliegend im Gegenuhrzeigersinn, d. h. gegensinnig zur umlaufenden Kurbelwelle 2 und gegensinnig zur sich drehenden Exzenterbuchse 4, wie durch einen Pfeil kenntlich gemacht ist, und dies mit dreifacher Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft. Es gilt: Ω_planetenrad = 3 Ω_crankshaft.
Bezugszeichenliste

1: Kurbeltrieb
2: Kurbelwelle
2a: Kurbelwellenkröpfung, Hubzapfen
2b: Kurbelwange
2c: Ausgleichsgewicht
3: Pleuelstange, Pleuel
3a: großes Pleuelauge
4: Exzenterbuchse, Buchse
5: Getriebe, planetenähnliches Getriebe
6: Hohlrad
6a: Innenverzahnung des Hohlrades
7: Hilfsrad
7a: Außenverzahnung des Hilfsrades
7b: Lager des Hilfsrades
8: Planetenrad
8a: Außenverzahnung des Planetenrades
8b: Innenverzahnung des Planetenrades
8c: Lager des Planetenrades
9: Planetenträger
9a: Zapfen des Planetenträgers
ε: Verdichtungsverhältnis ohne Exzenterbuchse
ε_compression: Verdichtungsverhältnis der Kompression
ε_expansion: Verdichtungsverhältnis der Expansion
η: Wirkungsgrad
OT: oberer Totpunkt
s: Hub
UT_compression: unterer Totpunkt der Kompression
UT_expansion: unterer Totpunkt der Expansion
V_c: Kompressionsvolumen
V_h: Hubvolumen eines Zylinders
Ω_crankshaft: Drehzahl der Kurbelwelle
Ω_excenter: Drehzahl der Exzenterbuchse
Ω_planetenrad: Drehzahl des Planetenrades

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19944669 A1 [0025, 0027]
DE 10230428 A1 [0027, 0028]
DE 19703948 C1 [0028]
EP 0438121 A1 [0028]

Claims

Verfahren zum Verändern eines zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb (1) umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft umlaufende Kurbelwelle (2), bei der - jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, - die Kurbelwelle (2) für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung (2a) aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen (2a) entlang der Längsachse der Kurbelwelle (2) beabstandet zueinander angeordnet sind, und - für jeden Zylinder eine Pleuelstange (3) vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge (3a) zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse (4) als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung (2a) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verdichtungsverhältnis ε während der Expansionsphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse (4) relativ zur Kurbelwellenkröpfung (2a) unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT vergrößert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) vergrößert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε während einer auf die Expansionsphase folgenden Ausschiebephase durch Verdrehen der Exzenterbuchse (4) relativ zur Kurbelwellenkröpfung (2a) unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT verkleinert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) verkleinert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε während einer der Kompressionsphase vorangehenden Ansaugphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse (4) relativ zur Kurbelwellenkröpfung (2a) unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT verkleinert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) verkleinert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε während der Kompressionsphase durch Verdrehen der Exzenterbuchse (4) relativ zur Kurbelwellenkröpfung (2a) unter Beibehaltung des oberen Totpunktes OT vergrößert wird, wobei der Kolbenhub s durch das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) vergrößert und infolgedessen der untere Totpunkt UT verlagert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) mit einer Drehzahl Ω_excenter erfolgt, wobei gilt Ω_excenter - 0,5 Ω_crankshaft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) mit einer Drehzahl Ω_excenter erfolgt, wobei gilt Ω_excenter = 1,5 Ω_crankshaft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) gleichsinnig mit der Kurbelwelle (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) gegensinnig zur Kurbelwelle (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) zwangsgesteuert unter Verwendung der Kurbelwelle (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) unter Verwendung eines buchsenzugehörigen Getriebes (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen der Exzenterbuchse (4) unter Verwendung eines buchsenzugehörigen und im Kurbelgehäuse angeordneten Getriebes (5) erfolgt, umfassend - ein im Kurbelgehäuse gehäusefest gelagertes Hohlrad (6), welches eine Innenverzahnung (6a) aufweist, - ein mit der Exzenterbuchse (4) fest verbundenes Hilfsrad (7), welches eine Außenverzahnung (7a) aufweist und auf der buchsenzugehörigen Kurbelwellenkröpfung (2a) drehbar gelagert ist, und - ein Planetenrad (8), welches auf einem Zapfen (9a) eines fest mit der Kurbelwelle (2) verbundenen Planetenträgers (9) drehbar gelagert ist, wobei das Planetenrad (8) eine Außenverzahnung (8a) aufweist, welche sich mit der Innenverzahnung (6a) des Hohlrades (6) in Eingriff befindet, und eine Innenverzahnung (8b) aufweist, welche sich mit der Außenverzahnung (7a) des Hilfsrades (7) in Eingriff befindet.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens zwei Zylindern und einem Kurbeltrieb (1) umfassend eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte und mit einer Kurbelwellendrehzahl Ω_crankshaft umlaufende Kurbelwelle (2), bei der - jeder Zylinder einen Kolben aufweist, der sich im Rahmen eines Arbeitsspiels entlang einer Kolbenlängsachse um einen Kolbenhub s bewegt und zwar während einer Kompressionsphase von einem unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT und während einer anschließenden Expansionsphase vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, - die Kurbelwelle (2) für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung (2a) aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen (2a) entlang der Längsachse der Kurbelwelle (2) beabstandet zueinander angeordnet sind, und - für jeden Zylinder eine Pleuelstange (3) vorgesehen ist, die in einem großen Pleuelauge (3a) zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε unter Verwendung einer verdrehbaren Exzenterbuchse (4) als Zwischenelement auf der zylinderzugehörigen Kurbelwellenkröpfung (2a) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern des zylinderzugehörigen Verdichtungsverhältnisses ε einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine für jede Exzenterbuchse (4) ein buchsenzugehöriges und im Kurbelgehäuse angeordnetes Getriebe (5) vorgesehen ist, umfassend - ein im Kurbelgehäuse gehäusefest gelagertes Hohlrad (6), welches eine Innenverzahnung (6a) aufweist, - ein mit der Exzenterbuchse (4) fest verbundenes Hilfsrad (7), welches eine Außenverzahnung (7a) aufweist und auf der buchsenzugehörigen Kurbelwellenkröpfung (2a) drehbar gelagert ist, und - ein Planetenrad (8), welches auf einem Zapfen (9a) eines fest mit der Kurbelwelle (2) verbundenen Planetenträgers (9) drehbar gelagert ist, wobei das Planetenrad (8) eine Außenverzahnung (8a) aufweist, welche sich mit der Innenverzahnung (6a) des Hohlrades (6) in Eingriff befindet, und eine Innenverzahnung (8b) aufweist, welche sich mit der Außenverzahnung (7a) des Hilfsrades (7) in Eingriff befindet.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) mit einem Übersetzungsverhältnis i = Ω_excenter / Ω_crankshaft ausgelegt ist, für das gilt: i = 0,5.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) mit einem Übersetzungsverhältnis i = Ω_excenter / Ω_crankshaft ausgelegt ist, für das gilt: i = 1,5.