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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, und eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit einem solchen Pleuel.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 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 Pleuelstangenlänge bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pleuel mit variabler Pleuelstangenlänge für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung zu schaffen, welches effizient arbeitet und hoch belastbar ist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Pleuel anzugeben.
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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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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Pleuelkörper, ein Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und ein Pleuellagerauge zur Anbindung des Pleuels an einen Zylinderkolben der Brennkraftmaschine. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter auf, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist zwei Hydraulikkammern mit jeweils einem Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange verbunden ist, welche am anderen Ende mit dem Exzenterhebel verbunden ist. Im Pleuelkörper ist wenigstens bereichsweise zwischen den Zylinderbohrungen eine Aussparung vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Pleuel weist vorzugsweise einen mit einem einteiligen oder mehrteiligen Exzenterhebel zusammenwirkenden Exzenter auf, in welchem der Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Die Pleuelstangenlänge ist als Abstand der Mittelachse des Hublagerauges von der Mittelachse der Bohrung des Exzenters im Pleuellagerauge definiert. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung ist vorzugsweise mittels eines mechanischen oder hydraulischen Umschaltventils verstellbar. Kolben der Hydraulikzylinder der Exzenter-Verstelleinrichtung sind jeweils in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit Stützstangen verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel gelenkig verbunden sind.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung kann durch Einwirken von Massenkräften (bei niedriger Verdichtung εlow) und Gaslastkräften (bei hoher Verdichtung εhigh) der Brennkraftmaschine initiiert werden, die bei einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel integrierte Kolben unterstützt, bzw. die Kolben verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirkenden Kräfte.
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Die Stützstangen sind vorzugsweise jeweils über einen Kugelkopf in einer Kugelkopfaufnahme des Kolbens gelagert und mit dem Kolben verbunden. Über das Kugelgelenk können die Stützstangen gegen ein Herausgleiten des Kugelkopfes aus einem offenen Ende der Kugelkopfaufnahme vorteilhaft gesichert werden.
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Die erfindungsgemäße Aussparung im Pleuelkörper trägt vorteilhaft zur Reduktion des Gewichts des Pleuels bei, insbesondere der oszillierenden Masse des Pleuels ohne dessen mechanische Stabilität zu vermindern. Hierdurch kann vermieden werden, dass trotz der zusätzlichen Exzenter-Verstelleinrichtung im Pleuel die oszillierende Masse im Kurbeltrieb nicht erhöht oder kaum erhöht wird, was sonst mit größeren Ausgleichsgewichten ausgeglichen werden müsste. Ein Verlauf der einwirkenden Kraft und mechanischen Spannung kann mit einer entsprechenden Geometrie der Aussparung, bzw. der verbleibenden Wandstärke des Pleuels verbessert werden.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung wenigstens auf einer Breitseite des Pleuelkörpers wenigstens bereichsweise als Vertiefung im Pleuelkörper ausgebildet sein. Bei einem geschmiedeten Pleuel kann die Aussparung aus dem Schmiederohling herausgefräst werden, so dass eine dünne Wand im Pleuelkörper stehen bleibt. Dies kann einseitig oder beidseitig im Pleuelkörper erfolgen. Eine günstige Geometrie der Aussparung kann im Schmiederohling komplett vorgehalten werden, so dass eine Nacharbeit entfallen kann.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung wenigstens bereichsweise als Durchbruch im Pleuelkörper ausgebildet sein. Die Aussparung in Form eines Durchbruchs kann aus dem Schmiederohling herausgefräst werden. Alternativ kann eine Aussparungsgeometrie im Schmiederohling bereits komplett vorgehalten werden und eine Nacharbeit entfallen. Alternativ kann im Schmiederohling eine dünne Wand vorgehalten werden, die später durch Nacharbeit, beispielsweise durch Stanzen, entfernt werden kann.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung wenigstens einen Wandbereich aufweisen, der parallel zu einer Längsachse einer der Zylinderbohrungen ausgebildet ist. Die Zylinderbohrungen sind nahe am Pleuellagerauge angeordnet, so dass eine Masse des Pleuelkörpers nahe am Pleuellagerauge praktisch unmittelbar in die oszillierende Masse des Pleuels eingeht. Wird die Masse in diesem Bereich reduziert, kann eine effektive Verminderung der oszillierenden Masse im Kurbeltrieb erreicht werden.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung Wandbereiche aufweisen, die parallel zu Längsachsen der Zylinderbohrungen ausgebildet sind. Die Zylinderbohrungen sind nahe am Pleuellagerauge angeordnet, so dass eine Masse des Pleuelkörpers nahe am Pleuellagerauge praktisch unmittelbar in die oszillierende Masse des Pleuels eingeht. Wird die Masse in diesem Bereich reduziert, kann eine effektive Verminderung der oszillierenden Masse im Kurbeltrieb erreicht werden.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung eine Erstreckung entlang einer Pleuellängsachse aufweisen und eine Erstreckung wenigstens einer der Zylinderbohrungen entlang der Pleuellängsachse die Erstreckung der Aussparung zumindest um 50%, vorzugsweise zumindest um 75%, besonders bevorzugt zumindest um 80%, überlappen. Es kann eine günstige Ausnutzung des verfügbaren Raumes im Pleuelkörper erreicht werden.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Aussparung zum Hublagerauge hin einen Bereich mit V-förmig zueinander gerichteten Wandbereichen und zum Pleuellagerauge hin einen Bereich mit einem kreisabschnittförmigen Wandbereich aufweisen. Die Aussparungsgeometrie kann den verfügbaren Raum im Pleuelkörper vorteilhaft ausnutzen, ohne die mechanische Integrität zu reduzieren.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann ein minimaler Abstand von einem der Wandbereiche der Aussparung zur benachbarten Zylinderbohrung mindestens einer minimalen Wandstärke der Zylinderbohrung zu einer der Zylinderbohrung benachbarten Außenseite des Pleuelkörpers entsprechen. Damit kann eine möglichst große Aussparung und damit möglichst große Gewichtsreduktion erreicht werden und die mechanische Stabilität der Zylinderbohrungen unverändert erhalten bleiben.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung kann eine Erstreckung der Aussparung entlang einer Pleuellängsachse wenigstens doppelt so groß sein wie eine maximale Breite der Aussparung senkrecht zur Pleuellängsachse. Eine vorteilhafte Aussparungsgeometrie kann geschaffen werden, welche die vorhandene Geometrie des Pleuelkörpers ausnutzt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem Pleuel vorgeschlagen, das im Pleuelkörper eine Aussparung aufweist. Durch die geringere Masse des Pleuels am Pleuellagerauge verringert sich das Gewicht des Pleuels. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine effizienter betrieben werden, da Ausgleichsgewichte zum Ausgleichen erhöhter oszillierender Massen am Pleuellagerauge reduziert werden können. Auf günstige Weise kann ein vorteilhafter Verbrennungsprozess und damit ein günstiger Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umgesetzt werden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel 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 ein Pleuel nach einem Ausführungsbeispiel in einem Zustand mit geringem Verdichtungsverhältnis (εlow);
- 2 der Pleuel aus 1 in einem Zustand mit hohem Verdichtungsverhältnis (εhigh);
- 3 eine isometrische Ansicht von Pleuelkörper und Deckel des Pleuels aus 1;
- 4 eine Draufsicht auf eine Breitseite von Pleuelkörper und Deckel des Pleuels aus 1;
- 5 einen Längsschnitt durch Pleuelkörper und Deckel des Pleuels aus 1;
- 6 ein Detail des Pleuelkörpers des Pleuels aus 1 am Pleuellagerauge;
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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 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung beispielhaft einen Pleuel 10 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung 40 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche als Abstand der Mittelachse eines Hublagerauges 14 von der Mittelachse der Bohrung eines im Pleuellagerauge 12 angeordneten Exzenters 42 definiert ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 40 weist den mit einem einteiligen oder mehrteiligen Exzenterhebel 44 zusammenwirkenden Exzenter 42 auf, in welchem ein nicht dargestellter Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 40 ist mittels eines mechanischen oder hydraulischen Umschaltventils 62 verstellbar, das in einer Bohrung 60 im Pleuelkörper 20 eingesetzt ist.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 40 wird durch Einwirken von Massenkräften (bei niedriger Verdichtung εlow, 1) und Gaslastkräften (bei hoher Verdichtung εhigh, 2) des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 40 wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 40 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 10 integrierte Kolben (in den 1, 2 nicht sichtbar) unterstützt, bzw. die Kolben verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 40 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 40 wirkenden Kräfte.
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Die Kolben sind jeweils in einer Zylinderbohrung 46, 48 eines Hydraulikzylinders 50, 52 des Pleuels 10 verschiebbar geführt und mit Stützstangen 56, 58 verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel 44 gelenkig verbunden sind. Beispielhaft sind die Stützstangen 56, 58 der Exzenter-Verstelleinrichtung 40 über Zylinderrollen 66, 68 mit dem Exzenterhebel 44 verbunden.
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Der Pleuel 10 weist das Hublagerauge 12 zur Anbindung des Pleuels 10 an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sowie ein Pleuellagerauge 14 zur Anbindung des Pleuels 1 an den Zylinderkolben der Brennkraftmaschine auf.
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Die in den Zylinderbohrungen 46, 48 in den 1 und 2 von außen nicht erkennbaren Kolben sind in den Zylinderbohrungen 46, 48 auf und ab verschiebbar angeordnet, wobei die Zylinderbohrungen 46, 48 Hydraulikkammern 50, 52 bilden. Die Hydraulikkammern 50, 52 sind über nicht erkennbare Zuläufe (24, 26 in 5) von dem Hublagerauge 12 aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 50, 52 zurück in die Zuläufe (24, 26 in 5), ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 50, 52.
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Die Hydraulikkammern 50, 52 sind weiter über nicht dargestellte Abläufe mit dem Umschaltventil 62 verbunden, welches als Hydraulikventil oder als mechanisches Ventil ausgebildet sein kann und über eine Ablaufleitung 64 mit dem Hublagerauge 12 verbunden ist. Zuläufe 24, 26 sowie Ablaufleitung 64 verlaufen schräg im Pleuel 10 sowohl zur Pleuellängsachse 70 als auch zur Breitseite des Pleuels 10.
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Wie ersichtlich ist, weist der Pleuel 10 einen Pleuelkörper 20 und einen daran befestigten Pleueldeckel 22 auf. Dieser kann mit dem Pleuelkörper 20 verschraubt sein. Pleuelkörper 20 und Pleueldeckel 22 schließen das Hublagerauge 12 ein.
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Auf einem Umfang des Hublagerauges 12 ist im Bereich des Pleuelkörpers 20 eine Nut 16 (5) vorgesehen, in welche die Zuläufe 24, 26 sowie die Ablaufleitung 64 münden. Dadurch, dass die Nut 16 nur auf einem Teil des Umfangs des Hublagerauges 12 angeordnet ist, wird auch die Tragfähigkeit des Lagers in dem Hublagerauge 12 möglichst wenig beeinträchtigt. Optional kann das Umschaltventil 62 im Bereich des Pleueldeckels 22 angeordnet sein.
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Im Pleuelkörper 20 ist eine Aussparung 30 in Form eines Durchbruchs nahe am Pleuellagerauge 14 angeordnet. Dies verringert vorteilhaft die oszillierende Masse des Pleuelkörpers 20 am Pleuellagerauge 14 am Kurbeltrieb. Ausgleichsgewichte zum Ausgleichen der oszillierenden Masse können daher verringert werden. Nahe des Pleuellagerauges 14 ist die mechanische Belastung im Pleuelkörper 20 vorteilhaft gering. Alternativ kann auch nur eine Aussparung 30 in Form einer Vertiefung vorgesehen sein, so dass eine Wand in der Aussparung stehen bleibt. Dabei kann eine solche Vertiefung einseitig oder beidseitig vorgesehen sein.
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Der Aufbau des beschriebenen Pleuels 10 ist nur beispielhaft dargestellt und die erfindungsgemäße Aussparung kann auch in anderen Ausführungsvarianten eines Pleuels mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung Anwendung finden. So ist es beispielsweise möglich, das Umschaltventil 62 im Bereich des Pleueldeckels 22 anzuordnen. Ferner können die beschriebenen Rückschlagventile im Umschaltventil 62 integriert vorgesehen sein. Auch die hydraulische Versorgung der Hydraulikkammern 50, 52 kann von der beschriebenen Ausführung abweichen.
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In den 3 bis 6 sind verschiedene Ansichten des Pleuelkörpers 20 mit Deckel 22 des Pleuels 10 aus 1 ohne Exzenter-Verstelleinrichtung 40 dargestellt, wobei 3 eine isometrische Ansicht, 4 eine Draufsicht auf eine Breitseite, 5 einen Längsschnitt und 6 ein Detail des Pleuelkörpers 20 mit Aussparung 30 des am Pleuellagerauge 14 zeigt.
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Der Pleuelkörper 20 und der darauf aufgesetzte Deckel 22 schließen das Hublagerauge 12 ein. Unterhalb des dem Hublagerauge 12 entlang der Pleuellängsachse 70 gegenüber liegenden Pleuellagerauges 14 (auch genannt „kleines Pleuelauge“) ist zwischen den beiden Zylinderbohrungen 46, 48 die Aussparung 30 beispielhaft in Form eines Durchbruchs vorgesehen.
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Die Aussparung 30 weist im Bereich, der dem Hublagerauge 12 zugewandt ist, zwei Wandbereiche 32, 34 auf, die zum einen parallel zur jeweiligen Längsachse der Zylinderbohrungen 46, 48 ausgebildet ist und V-förmig aufeinander zulaufen. Der dem Pleuellagerauge 14 zugewandte Wandbereich 36 der Aussparung 30 hat die Form eines Kreisbogens. Die nicht näher bezeichneten Wandbereiche, welche den V-förmigen Bereich mit den Wandbereichen 32, 34 und den kreisbogenförmigen Wandbereich 36 verbinden, sind beispielsweise gerade und parallel zueinander sowie parallel zur Pleuellängsachse 70 des Pleuelkörpers 20. Eine Erstreckung der Aussparung 30 entlang der Pleuellängsachse 70 ist größer, insbesondere wenigstens doppelt so groß wie eine maximale Breite der Aussparung 30 senkrecht zur Pleuellängsachse 70.
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Die Aussparung 30 taucht mit ihrer axialen Position, bezogen auf die Pleuellängsachse 70 nahezu vollständig zwischen die beiden Zylinderbohrungen 46, 48 ein. Die Aussparung 30 weist eine Erstreckung entlang einer Pleuellängsachse 70 auf. Auch die Zylinderbohrungen 46, 48 weisen jeweils eine Erstreckung entlang der Pleuellängsachse 70 auf, wobei die in den Figuren linke Zylinderbohrung 46 eine höhere axiale Position einnimmt als die in den Figuren rechte Zylinderbohrung 48. Die axiale Erstreckung der Aussparung 30 wird von der Erstreckung der Zylinderbohrungen 46, 48, insbesondere von der axial höchsten Zylinderbohrung 46, zumindest um 50%, vorzugsweise zumindest um 75%, besonders bevorzugt zumindest um 80% ihrer Erstreckung, überlappt.
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Zweckmäßigerweise entspricht ein minimaler Abstand der Aussparung 30 von einem der Wandbereiche 32, 34 zur benachbarten Zylinderbohrung 46, 48 mindestens einer minimalen Wandstärke der Zylinderbohrung 46, 48 zu einer der Zylinderbohrung 46, 48 benachbarten Außenseite des Pleuelkörpers 20. So bleibt die mechanische Integrität der Zylinderbohrungen 46, 48 erhalten.
