DE102018104292A1

DE102018104292A1 - Sensoreinrichtung für eine längenverstellbare Pleuelstange

Info

Publication number: DE102018104292A1
Application number: DE102018104292.2A
Authority: DE
Inventors: Karim Elwan
Original assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: AVL List GmbH; Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2019-08-29
Also published as: WO2019162528A1; CN111902618A; US20210372320A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, mit einer längenverstellbaren Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung für die Erfassung der Längenverstellung der Pleuelstange. Die längenverstellbare Pleuelstange umfasst ein erstes Pleuelteil zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und ein zweites Pleuelteil zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens, wobei der Längenabstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen mittels der Pleuelstange verstellbar ist. Die Sensoreinrichtung weist einen Sensor und einen an der längenverstellbaren Pleuelstange vorgesehenen Indexbereich auf, wobei mittels des Sensors eine von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängige Eigenschaft des Indexbereichs erfassbar ist. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Vorrichtung aus einer längenverstellbaren Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung sowie die Verwendung einer solchen Sensoreinrichtung und einer längenverstellbaren Pleuelstange.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, mit einer längenverstellbaren Pleuelstange die ein erstes Pleuelauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und ein zweites Pleuelauge zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens umfasst, wobei der Längenabstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen mittels der Pleuelstange verstellbar ist. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer längenverstellbare Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung in einem Verbrennungsmotor.
Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen V_h + Kompressionsvolumens V_c) / Kompressionsvolumen V_c ). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.
In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsgemischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck, auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. Entsprechend ist im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen.
Um im oberen Lastbereich ein Klopfen des Motors zu verhindern, werden über einen Klopfsensor, üblicherweise ein piezoelektrischer Empfänger, die Schaltschwingungen im Motor erfasst und beim Auftreten von für das Klopfen typischen hochfrequenten Schwingungsanteilen der Zündzeitpunkt durch die Motorsteuerung in Richtung spät verstellt, bis keinerlei Klopfgeräusche mehr festgestellt werden. Anschließend verstellt die Motorsteuerung den Zündzeitpunkt wieder schrittweise in Richtung eines frühen Zündzeitpunkts, um eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffs und damit zu einem besseren Wirkungsgrad des Motors zu gelangen. Dadurch wird der Verbrennungsmotor permanent in der Nähe der sogenannten Klopfgrenze gehalten. Neben einer möglichst hohen Leistungsausbeute und optimalem Wirkungsgrad des Motors werden durch eine solche elektronische Klopfregelung Schwankungen in der Kraftstoffqualität ausgeglichen und Motorschäden verhindert.
Für die Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VCR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des CO₂-Ausstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und dem CO₂-Ausstoß.
Bereits die Druckschrift US 2,217,721 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, die gemeinsam einen Hochdruckraum ausbilden. Zur Befüllung und Entleerung des Hochdruckraums mit Motoröl und damit zur Längenänderung der Pleuelstange ist ein hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Steuerventil vorgesehen, das durch den Druck des Motoröls verstellbar ist.
Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor zeigt die EP 1 426 584 A1 , bei der ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Exzenter eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht. Dabei erfolgt eine Fixierung des Exzenters in der einen oder anderen Endstellung des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung. Aus der DE 10 2005 055 199 A1 geht ebenfalls die Funktionsweise eines längenvariablen Pleuels hervor, mit dem verschiedene Verdichtungsverhältnisse ermöglicht werden. Die Realisierung erfolgt auch hier über einen Exzenter im kleinen Pleuelauge, das in seiner Position durch zwei Hydraulikzylinder mit veränderbarem Widerstand fixiert wird.
Die WO 2013/092364 A1 beschreibt eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Stangenteilen, wobei ein Stangenteil einen Zylinder und das zweite Stangenteil ein längsverschiebbares Kolbenelement ausbildet. Zwischen dem Verstellkolben des ersten Stangenteils und dem Zylinder des zweiten Stangenteils ist ein Hochdruckraum ausgebildet, der über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit Motoröl versorgt wird. Eine ähnliche längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit teleskopartig verschiebbaren Stangenteilen ist in der WO 2015/055582 A2 gezeigt.
Die verstellbare Pleuellänge derartiger längenverstellbarer Pleuelstangen beeinflusst das Kompressionsvolumen im Verbrennungsraum, wobei das Hubvolumen durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben ist. Eine kurze Stellung der Pleuelstange führt zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Stellung der Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen, z.B. Kolben, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Ventilsteuerung etc.. Bei vielen bekannten längenverstellbaren Pleuelstangen wird die Pleuellänge hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus erfolgt, der mittels eines doppelwirkenden Hydraulikzylinders verstellbar ist. Das erste kleinere Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kolbenbolzens, ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil). Der zugehörige Verstellkolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem zweiten größeren Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens, angeordnet ist. Der Verstellkolben trennt den Zylinder in zwei Druckräume, einen oberen und einen unteren Druckraum. Diese beiden Druckräume werden über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit Motoröl versorgt, wobei dessen Versorgung mit Motoröl über die Schmierölzufuhr des Pleuellagers erfolgt. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zum Pleuel und dort über die Rückschlagventile des Verstellmechanismus in die Druckräume erforderlich.
Ist die Pleuelstange in der langen Stellung, befindet sich kein Motoröl im oberen Druckraum. Der untere Druckraum hingegen ist vollständig mit Motoröl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Stellung des Pleuels wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit einem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den ölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an, wobei in dem unteren Druckraum sehr hohe dynamische Drücke von deutlich über 1.000 bar entstehen können. Die Pleuellänge ändert sich nicht. Das Pleuel ist durch den Systemdruck in dieser Richtung hydraulisch gesperrt.
In der kurzen Stellung des Pleuels drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum ist leer, der obere Druckraum ist mit Motoröl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in dem oberen Druckraum. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen.
Die in einem Verbrennungsmotor von einer Pleuelstange zu übertragenden Kräfte sind beträchtlich, weshalb bei einer Exzenterverstellung die mechanische Belastung der Exzentereinheit und bei einer hydraulischen Verstellung die Drücke in dem Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit erheblich sein können. Angesichts der hohen mechanischen oder hydraulischen Belastung der jeweiligen Verstellmechanismen ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe die Belastbarkeit der Komponenten sowie die Einbindung in den Verbrennungsmotor kritisch. Diese Gesamt-Problematik impliziert die Gefahr einer Fehlfunktion bei der Längenverstellung der Pleuelstange, was zu Schäden am Verbrennungsmotor bis hin zu einem Totalversagen führen kann.
Obwohl in vielen Bereichen der Technik Kolbenhubmaschinen hinlänglich bekannt sind und im Bereich der Automobilindustrie Hubkolben-Motoren beständig optimiert, verbessert und weiterentwickelt werden, sind die hydraulischen Verstell- und Versorgungsmechanismen von Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen trotz umfangreicher Entwicklungs- und Forschungsarbeiten weiterhin entwicklungsbedürftig, insbesondere im Hinblick auf die notwendige Funktionssicherheit längenverstellbarer Pleuelstangen in der gesamten Laufzeit von Verbrennungsmotoren. In modernen Verbrennungsmotoren ermöglicht der Einsatz von Klopfsensoren und die Messung von hochfrequenten Schallschwingungen in Verbindung mit einer Klopfsteuerung und der Verstellung des Zündzeitpunkts eine Optimierung der Motorleistung im jeweiligen Lastbereichs des Motors. Weiter kann ein Klopfsensor auch Rückschlüsse auf die Lage des Hubkolbens oder die korrekte Funktion der längenverstellbaren Pleuelstange geben. In Kombination mit einer Klopfsteuerung kann ein Klopfsensor jedoch eine Fehlfunktion der längenverstellbaren Pleuelstange nicht sicher detektieren, was nicht nur zu dauerhaften Defekten an der längenverstellbaren Pleuelstange sondern auch zu einem Totalausfall des Motors führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange bereit zu stellen, die einen sicheren Betrieb des Motors und der längenverstellbaren Pleuelstange ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung für die Erfassung der Längenverstellung der Pleuelstange umfasst, wobei die Sensoreinrichtung einen Sensor und einen an der längenverstellbaren Pleuelstange vorgesehenen Indexbereich aufweist, und wobei mittels dem Sensor eine von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängige Eigenschaft des Indexbereichs erfassbar ist. Die Erfassung der Längenverstellung der Pleuelstange im Verbrennungsmotor ermöglicht es im Betrieb der längenverstellbaren Pleuelstange die Schaltstellung des Pleuels zu ermitteln, d.h. ob sich die Pleuelstange in der langen Stellung oder in der kurzen Stellung befindet. In Abhängigkeit der kurzen oder langen Stellung der Pleuelstange verändert sich die Lage des Hubkolbens im Zylinder des Verbrennungsmotors und vergrößert bzw. verkleinert so das Kompressionsvolumen der Brennkammer. Dadurch ist sowohl eine Optimierung des Wirkungsgrads des Motors im Teillast- und Volllastbetrieb als auch eine Überwachung der Funktion der längenverstellbaren Pleuelstange möglich, um Schäden am Motor zu vermeiden. Der Indexbereich an der längenverstellbaren Pleuelstange dient dabei als passiver oder aktiver Signalgeber für den Sensor. In Abhängigkeit des Sensors ist der Indexbereich derart angeordnet und ausgebildet, dass er eine von der Längenverstellung abhängige physikalische, chemische, geometrische oder stoffliche Eigenschaft des Indexbereichs oder der Pleuelstange im Indexbereich für den Sensor erfassbar macht. Da sich die Lage der Pleuelstange im Betrieb des Verbrennungsmotors regelmäßig ändert, müssen die vom Sensor erfassten Werte in Abhängigkeit der Lage des Kurbelwellenzapfens ausgewertet oder Messdaten nur bei einer definierten Stellung des Kurbelwellenzapfens erfasst werden.
Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass der Sensor ein optischer, induktiver, kapazitiver oder akustischer Sensor ist. Derartige Sensoren sind in unterschiedlichen Bauformen, Qualitäten und Genauigkeiten erhältlich und entsprechende Messkonzepte sind in der Technik verfügbar. Trotz der Möglichkeit, kostengünstige Sensoren aus dem Bereich optischer, induktiver, kapazitiver oder akustischer Sensoren einzusetzen, ermöglichen diese Sensoren eine problemlose und genaue Messung der Längenverstellung der Pleuelstange. Insbesondere kann der Sensor dabei ein berührungsloser, bevorzugt ein optischer, induktiver, kapazitiver oder akustischer, Abstandssensor sein, um so mit der Sensoreinrichtung ein einfach erfassbares und weiter verarbeitbares Signal zu erhalten.
Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass der Indexbereich an einer Oberfläche der längenverstellbaren Pleuelstange ausgebildet ist. Ein an der Oberfläche der längenverstellbaren Pleuelstange ausgebildeter Indexbereich kann sowohl kostengünstig bei der Herstellung der längenverstellbaren Pleuelstange vorgesehen, aber auch in einem nachträglichen Arbeitsschritt angebracht werden. Dabei kann der Indexbereich insbesondere in einem Bereich der Pleuelstange vorgesehen werden, der bei einer Längenverstellung der Pleuelstange eine signifikante Lageänderung gegenüber dem Sensor aufweist. Entsprechend der bei der Längenverstellung der Pleuelstange vom Sensor erfassten, physikalischen, chemischen, geometrischen, oder stofflichen Eigenschaft des Indexbereichs, kann der Indexbereich eine einfache Oberfläche der Pleuelstange, eine besonders ausgebildete oder nachbearbeitete Kontur, eine an der Pleuelstange vorgesehene oder dort hindurchgehende geometrische Struktur, ein in der Pleuelstange eingebetteter induktiver Widerstand, ein in der Pleuelstange eingebetteter Magnet oder eine andere, alternative Ausgestaltung des Indexbereichs sein.
Eine besondere Ausgestaltung sieht vor, dass der Indexbereich an der längenverstellbaren Pleuelstange eine strukturierte Oberfläche aufweist, bevorzugt eine Oberfläche mit in Richtung des Abstandssensors vorstehenden Vorsprüngen. Eine strukturierte Oberfläche ermöglicht gerade in Verbindung mit einem berührungslosen optischen oder akustischen Abstandssensor eine klare und eindeutige Erfassung des Indexbereichs. Dabei können in Richtung des Abstandssensors vorstehende Vorsprünge in kritischen Messbereichen der Längenverstellung der Pleuelstange eine größere Divergenz des Messsignals erzeugen und damit eine genauere Messung ermöglichen. Beispielsweise kann eine Oberfläche mit einem Rechteckprofil, insbesondere im Bereich eines Übergangs zwischen ausreichender und nicht ausreichender Längenverstellung eine Stufe aufweisen, die zu einem eindeutigen Messsignal führen
Für eine sichere und dauerhafte Funktion der Längenverstellung der Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor kann die längenverstellbare Pleuelstange ein erstes Pleuelteil mit dem ersten Pleuelauge und ein zweites Pleuelteil mit dem zweiten Pleuelauge aufweisen, wobei das erstes Pleuelteil gegenüber dem zweiten Pleuelteil in Längsrichtung der Pleuelstange belegbar ist, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen zu verstellen, und wobei der Indexbereich an dem zweiten Pleuelteil zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens angeordnet ist. Solche zueinander in Längsrichtung bewegbare, bevorzugt teleskopierbare, Pleuelteile vermeiden eine translatorische Bewegung des ersten Pleuelteils im Bereich des Kolbenbolzens, eine entsprechende Exzenteraufnahme des Kolbenbolzens und eine hohe Lagerbelastung. Durch die exzenterfreie Aufnahme des Kolbenbolzens im ersten Pleuelteil, erfolgt die Längenverstellung ausschließlich im Bereich des Pleuels, so dass sich in Abhängigkeit der Längenverstellung der Pleuelstange dessen Lage bei gleicher Winkelstellung des Kurbelwellenzapfens gegenüber dem Motorgehäuse verändert. Diese Lageänderung in Abhängigkeit der Lage des Kurbelwellenzapfens kann durch den Sensor klar erfasst und daraus die Pleuellänge unabhängig von anderen Motorkennwerten bestimmt werden. Alternativ kann die Pleuelstange auch einen Exzenterabschnitt aufweisen, insbesondere mit dem kleinen Pleuelauge zur Aufnahme des Kolbenbolzens, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen zu verstellen, wobei der Indexbereich an der Pleuelstange selbst oder an den Stellhebeln des Exzenterabschnitts angeordnet sein kann.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass mindestens eine Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen ist, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu bewegen, wobei das erste Pleuelteil mit einem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden ist und das zweite Pleuelteil eine Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweist. Eine solche Zylinder-Kolben-Einheit ermöglicht nicht nur eine hydraulisch betätigte Verstellung der Pleuelstange mit einer Aktivierung über den Motorölkreislauf des Verbrennungsmotors, sondern auch eine einfache Ausbildung des Indexbereichs an der Oberfläche der Pleuelstange, an der Kontur oder geometrischen Struktur der Pleuelstange oder innerhalb der Pleuelstange selbst. Zur Anordnung und Aufnahme des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung kann das zweite Pleuelteil ein entsprechendes Zylindergehäuse aufweisen, an dem eine einfache, reproduzierbare Anordnung des Indexbereichs während der Herstellung oder im Anschluss daran möglich ist. Weiter kann das mit dem Verstellkolben verbundene erste Pleuelteil optional eine Kolbenstange aufweisen.
Eine weitere Modifikation sieht vor, dass die Sensoreinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, die mit dem Sensor gekoppelt ist, um die von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängige Eigenschaft des Indexbereichs zu erfassen. Über die Steuereinrichtung kann in Abhängigkeit des Messwerts des Sensors und der Stellung des Kurbelwellenzapfens nicht nur die Stellung, bzw. die Länge der Pleuelstange bestimmt werden, sondern die Steuereinheit kann auch aktiv die Messung der Sensoreinrichtung steuern. Dazu kann die Steuereinrichtung bei einer bestimmten Winkelstellung des Kurbelwellenzapfens die Messung des Sensors auslösen. In Abhängigkeit der von einer Motorsteuerung bereitgestellten Motorleistung, kann die Steuereinrichtung zusätzlich überprüfen, ob die Längenverstellung der Pleuelstange den vorgegebenen Betriebseinstellungen entspricht. Sollte die Steuereinrichtung eine Abweichung ermitteln, die über eine bestimmte Anzahl von Zyklen nicht korrigiert wird, kann über eine Schnittstelle die Ausgabe eines entsprechenden Signals auf den Defekt hinweisen bzw., je nach Art des Defekts, den Motor in eine sichere Betriebsstellung bringen.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Sensoreinrichtung zur Erfassung der Längenverstellung einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einem an der längenverstellbaren Pleuelstange vorgesehenen Indexbereich und einem Sensor, bevorzugt einem berührungslosen Abstandssensor, wobei die längenverstellbare Pleuelstange ein erstes Pleuelteil zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und ein zweites Pleuelteil zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens aufweist, und wobei der Längenabstand zwischen dem Kolbenbolzen dem Kurbelwellenzapfen verstellbar ist und der Sensor eine von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängige Eigenschaft des Indexbereichs, bevorzugt den Abstand zwischen dem Indexbereich und dem Sensor, erfasst. Eine solche Sensoreinrichtung ermöglicht es im Betrieb des Verbrennungsmotors die Schaltstellung der Pleuelstange zu ermitteln. Für einen Einsatz eines Abstandssensors ist der Indexbereich bevorzugt an der Oberfläche der Pleuelstange ausgebildet. In Verbindung mit einer geeigneten Steuereinheit kann so die Längenverstellung der Pleuelstange unabhängig von weiteren Leistungsdaten des Verbrennungsmotors ermittelt werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einem Indexbereich in einem Verbrennungsmotor, wobei ein Sensor, bevorzugt ein berührungsloser Abstandssensor, eine von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängige Eigenschaft des Indexbereichs, bevorzugt den Abstand zwischen dem Indexbereich an der längenverstellbaren Pleuelstange und dem gegenüber dem Verbrennungsmotor fixierten Abstandssensor, erfasst. Dies ermöglicht nicht nur eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in dem Verbrennungsmotor, sondern gleichzeitig auch eine sichere Überwachung der Funktion der längenverstellbaren Pleuelstange.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder oder einem sich in dem Zylinder bewegenden Hubkolben, sowie mit mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder, einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung entsprechend der vorbeschriebenen Vorrichtung. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung ausgestattet, erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Verbrennungsmotors kann beträchtlich sein, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Zweckmäßigerweise kann eine Zylinder-Kolben-Einheit der längenverstellbaren Pleuelstange an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors angeschlossen sein, um die Längenverstellung der Pleuelstange zu bewirken. Mittels der Sensoreinrichtung kann die Längenverstellung der Pleuelstange erfasst werden und gegebenenfalls über eine Steuereinrichtung verarbeitet werden.
Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung der Längenverstellung einer längenverstellbare Pleuelstange mit einem an der längenverstellbare Pleuelstange vorgesehenen Indexbereich, einem Sensor, insbesondere einem berührungslosen Abstandssensor, und einer Steuereinrichtung, umfassend das Erfassen einer von der Längenverstellung der Pleuelstange abhängigen Eigenschaft des Indexbereichs mittels dem Sensor, insbesondere Erfassen des Abstands zwischen dem Indexbereich und dem Abstandssensor, Vergleichen der erfassten Eigenschaft des Indexbereichs mit einem Referenzwert in der Steuereinrichtung, und Berechnen der Längenverstellung, bzw. der Schaltstellung der Pleuelstange mittels der Steuereinrichtung. Neben der einfachen Erfassung der aktuellen Schaltstellung der längenverstellbaren Pleuelstange kann gleichzeitig auch eine Abweichung von der zu erwartenden Schaltstellung in Abhängigkeit von Kennwerten und Leistungsdaten des Verbrennungsmotors bestimmt und ein entsprechendes Warnsignal erzeugt werden. Weiter kann mittels der Kennwerte und der Leistungsdaten des Verbrennungsmotors eine lagegenaue Messung der Eigenschaft des Indexbereichs in Abhänigigkeit der Winkellage der Kurbelwelle ermöglicht werden.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor, und
2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange und einer Sensoreinrichtung,
3 eine Schnittansicht durch den Verbrennungsmotor aus 1 entlang einer längenverstellbaren Pleuelstange in einer kurzen Stellung und
4 eine Schnittansicht durch den Verbrennungsmotor aus 1 entlang einer längenverstellbaren Pleuelstange in einer langen Stellung.

In 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1, 6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 auf. Das zweite Pleuelauge 8.1, 8.2, und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gelagert. Das erste Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden. Im technischen Sprachgebrauch wird den die Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 aufnehmenden ersten Pleuelaugen 9.1, 9.2 und 9.3 der Begriff kleines Pleuelauge und den die Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 aufnehmenden zweiten Pleuelaugen 8.1, 8.2, und 8.3 der Begriff großes Pleuelauge zugeordnet, wobei diesen Begriffen weder eine absolute noch relative Größenzuordnung zu entnehmen ist, sondern sie lediglich zur Unterscheidung der Bauteile und Zuordnung zu dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor dienen. Entsprechend können die Abmessungen der Durchmesser der ersten Pleuelaugen 9.1, 9.2 und 9.3 kleiner, gleich groß oder größer als die Abmessungen der Durchmesser der zweiten Pleuelaugen 8.1, 8.2 und 8.3 sein.
Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1, 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt. Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg H_K vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1, 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg H_K . Die verbleibende Höhe H_C (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2 oder 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg H_K das Hubvolumen V_h und aus der verbleibenden Kompressionshöhe H_C errechnet sich das Kompressionsvolumen V_c . Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen V_c maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen V_h und V_c ergibt sich das Verdichtungsverhältnis ε. Im Detail errechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε aus der Summe des Hubvolumens V_h und des Kompressionsvolumens V_c dividiert durch das Kompressionsvolumen V_c . Heute übliche Werte für Ottomotoren liegen für ε zwischen 10 und 14.
Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (Drehzahl n, Temperatur T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind die Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.
In 2 ist beispielhaft eine Seitenansicht der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 dargestellt, die identisch zu den Pleuelstangen 6.2 und 6.3 des Verbrennungsmotors aus 1 ausgestaltet ist. Die Beschreibung gilt daher entsprechend. Die Pleuelstange 6.1 weist ein erstes Pleuelteil 18.1 auf mit einem Pleuelstangenkopf 17.1 und dem besagten ersten Pleuelauge 9.1, wobei das erste Pleuelteil 18.1 teleskopierbar in einem zweiten Pleuel 19.1 geführt ist. Die relative Bewegung des ersten Pleuelteils 18.1 in Längsrichtung zum zweiten Pleuelteil 19.1 erfolgt insbesondere mittels einer im zweiten Pleuelteil 19.1 integrierten Zylinder-Kolben-Einheit (nicht gezeigt) mit einem Verstellkolben der in einer Zylinderbohrung bewegbar aufgenommen ist, sowie einer Dichtungseinrichtung zwischen dem Verstellkolben und der Zylinderbohrung. Am zweiten Pleuelteil 19.1 ist eine untere Lagerschale 20.1 angeordnet, die zusammen mit dem unteren Bereich des zweiten Pleuelteils 19.1 das zweite Pleuelauge 8.1 umgibt. Die untere Lagerschale 20.1 und das zweite Pleuelteil 19.1 werden mittels Befestigungsbolzen 21.1 miteinander verbunden. Das erste Pleuelteil 18.1 weist zwischen dem Pleuelstangenkopf 17.1 und dem zweiten Pleuelteil 19.1 eine Kolbenstange 22.1 auf, die am unteren Ende des ersten Pleuelteils 18.1 üblicherweise mit dem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden ist. Am oberen Ende des zweiten Pleuelteils 19.1 wird die Kolbenstange 22.1 durch eine entsprechend abgedichtete Bohrung verschiebbar in das zweite Pleuelteil 19.1 eingeführt. Zur Veränderung der Länge der Pleuelstangen 6.1 mittels der Zylinder-Kolben-Einheit ist ein hydraulischer Verstellmechanismus (nicht gezeigt) vorgesehen, der den Zu- und Ablauf des Motoröls in und aus der Zylinder-Kolben-Einheit steuert und damit eine Fixierung der Pleuelstange 6.1 in der kurzen und langen Stellung bewirkt.
In 2 sind die längenverstellbare Pleuelstange 6.1 sowie eine Sensoreinrichtung 24 als Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 23 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 24 umfasst einen Sensor 25 und einen am zweiten Pleuelteil 19.1 vorgesehenen Indexbereich 26. Wie durch den Doppelpfeil zwischen dem Sensor 25 und dem Indexbereich 26 angedeutet, erfasst der Sensor 25 den Abstand zum Indexbereich 26. Entsprechend ist in der dargestellten Ausführungsform der Sensor 25 als berührungsloser Abstandssensor ausgebildet. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Indexbereich 26 auf der dem Sensor 25 zugewandten Seite des zweiten Pleuelteils 19.1 als strukturierte Oberfläche 27 mit mehreren rechteckförmig in Richtung des Sensors 25 vorstehenden Vorsprüngen 28 ausgebildet.
Die Schnittdarstellung durch den Verbrennungsmotor 1 in 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 23 mit der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 in einer kurzen Stellung. Der Sensor 25 ist positionsfest im Verbrennungsmotor 1 fixiert und erfasst den Abstand zum Indexbereich 26 auf dem zweiten Teil 19.1 der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1. In 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 23 aus 3 mit der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 in einer langen Stellung gezeigt.
Wie durch den Vergleich zwischen 3 und 4 gut zu erkennen, ist bei einer langen Stellung der Pleuelstange 6.1 der Hubkolben 3.1 bei gleicher Winkellage der Kurbelwelle 4 bzw. des Kurbelwellenzapfens 7.1, tiefer in den Zylinder 2.1 eingeführt, so dass sich im Betrieb im Zylinder 2.1 der 4 ein höheres Verdichtungsverhältnis ergibt. Neben der Differenz zwischen der Positionen des Hubkolbens 3.1 im Zylinder 2.1 durch die Längenverstellung der Pleuelstange 6.1 in die ausgefahrene, lange Stellung, ist in 4 sehr deutlich auch der sich verändernde Abstand zwischen dem zweiten Pleuelteil 19.1 und dem im Verbrennungsmotor 1 fixierten Sensor 25 zu erkennen. Über eine mit dem Sensor 25 verbundene Steuereinrichtung (nicht gezeigt) können die Messwerte des Sensors 25, insbesondere eine Abstandsmessung zum Indexbereich 26 auf dem zweiten Pleuelteil 19.1, erfasst und mit einem Referenzprofil verglichen werden. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung die Messung der Sensoreinrichtung 24 so steuern, dass diese nur bei einer bestimmten Winkellage der Kurbelwelle 4 erfolgt. Neben der Erfassung der aktuellen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 kann die Steuereinrichtung die Stellung der Pleuelstange 6.1 auch in Abhängigkeit von Kennwerten und Leistungsdaten des Verbrennungsmotors 1 aus der Motorsteuerung auswerten und bei einer Abweichung der zu erwartenden Schaltstellung über eine bestimmte Anzahl von Zyklen unabhängig von der Motorsteuerung ein entsprechendes Signal zur Information des Fahrers und zur Berücksichtigung bei der Betriebssicherheit des Verbrennungsmotors 1 erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2.1,2.2,2.3: Zylinder
3.1,3.2,3.3: Hubkolben
4: Kurbelwelle
5.1,5.2,5.3,5.4: Kurbelwellenlager
6.1,6.2,6.3: Pleuelstange
7.1,7.2,7.3: Kurbelwellenzapfen
8.1,8.2,8.3: zweites Pleuelauge
9.1,9.2,9.3: erstes Pleuelauge
10.1,10.2,10.3: Kolbenbolzen
11: Kurbelwellenketterad
12: Steuerkette
13: Nockenwellenkettenrad
14: Nockenwelle
15: Spannschiene
16: Kettenspanner
17.1: Pleuelstangenkopf
18.1: erstes Pleuelteil
19.1: zweites Pleuelteil
20.1: Lagerschale
21.1: Befestigungsbolzen
22.1: Kolbenstange
23: Vorrichtung
24: Sensoreinrichtung
25: Sensor
26: Indexbereich
27: strukturierte Oberfläche
28: Vorsprünge
V_h: Hubvolumen
V_c: Kompressionsvolumen
H_C: Kompressionshöhe
H_K: Hubweg
ε: Verdichtungsverhältnis
n: Drehzahl
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2217721 [0006]
EP 1426584 A1 [0007]
DE 102005055199 A1 [0007]
WO 2013/092364 A1 [0008]
WO 2015/055582 A2 [0008]

Claims

Vorrichtung (23) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere einen Ottomotor, mit einer längenverstellbaren Pleuelstange (6.1), die längenverstellbare Pleuelstange (6.1) umfasst ein erstes Pleuelauge (9.1) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1) und ein zweites Pleuelauge (8.1) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1), wobei der Längenabstand zwischen dem Kolbenbolzen (10.1) und dem Kurbelwellenzapfen (7.1) mittels der Pleuelstange (6.1) verstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (23) eine Sensoreinrichtung (24) für die Erfassung der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) umfasst, wobei die Sensoreinrichtung (24) einen Sensor (25) und einen an der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) vorgesehenen Indexbereich (26) aufweist, und wobei mittels dem Sensor (25) eine von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängige Eigenschaft des Indexbereichs (26) erfassbar ist.
Vorrichtung (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (25) ein optischer, induktiver, kapazitiver oder akustischer Sensor (25) ist.
Vorrichtung (23) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (25) ein berührungsloser Abstandssensor ist, bevorzugt ein optischer, induktiver, kapazitiver oder akustischer Abstandssensor.
Vorrichtung (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Indexbereich (26) an einer Oberfläche der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) ausgebildet ist.
Vorrichtung (23) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Indexbereich (26) an der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) eine strukturierte Oberfläche (27) aufweist, bevorzugt eine strukturierte Oberfläche (27) mit in Richtung eines Abstandssensors vorstehenden Vorsprüngen (28).
Vorrichtung (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die längenverstellbare Pleuelstange (6.1) ein erstes Pleuelteil (18.1) mit dem ersten Pleuelauge (9.1) und ein zweites Pleuelteil (19.1) mit dem zweiten Pleuelauge (8.1) aufweist, wobei das erste Pleuelteil (18.1) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1) in Längsrichtung der Pleuelstange (6.1) bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen (10.1) und dem Kurbelwellenzapfen (7.1) zu verstellen, und wobei der Indexbereich (26) an dem zweiten Pleuelteil (19.1) zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens (7.1) angeordnet ist.
Vorrichtung (23) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen ist, um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu bewegen, wobei das erste Pleuelteil (18.1) mit einem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden ist und das zweite Pleuelteil (19.1) eine Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweist.
Vorrichtung (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (24) weiter eine Steuereinrichtung aufweist die mit dem Sensor (25) gekoppelt ist, um die von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängige Eigenschaft des Indexbereichs (26) zu erfassen.
Verwendung einer Sensoreinrichtung (24) zur Erfassung der Längenverstellung einer längenverstellbare Pleuelstange (6.1) mit einem an der längenverstellbare Pleuelstange (6.1) vorgesehenen Indexbereich (26) und einem Sensor (25), bevorzugt einem berührungslosen Abstandssensor, wobei die längenverstellbare Pleuelstange (6.1) ein erstes Pleuelauge (9.1) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1) und ein zweites Pleuelauge (8.1) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1) aufweist, wobei der Längenabstand zwischen dem Kolbenbolzen (10.1) und dem Kurbelwellenzapfen (7.1) verstellbar ist, und wobei dass der Sensor (25) eine von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängige Eigenschaft des Indexbereichs (26), bevorzugt den Abstand zwischen dem Indexbereich (26) und dem Sensor (25), erfasst.
Verwendung einer längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) mit einem Indexbereich (26) in einem Verbrennungsmotor (1), wobei ein Sensor (25), bevorzugt ein berührungsloser Abstandssensor, eine von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängige Eigenschaft des Indexbereichs (26), bevorzugt den Abstand zwischen dem Indexbereich (26) an der längenverstellbare Pleuelstange (6.1) und dem gegenüber dem Verbrennungsmotor (1) fixierten Abstandssensor, erfasst.
Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Zylinder (2.1,2.2,2.3), einem sich in dem Zylinder (2.1,2.2,2.3) bewegenden Hubkolben (3.1,3.2,3.3) und mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder (2.1,2.2,2.3), sowie mit einer mit dem Hubkolben (3.1,3.2,3.3) verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) und einer Sensoreinrichtung (24) entsprechend der Vorrichtung (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Erfassung der Längenverstellung einer längenverstellbare Pleuelstange (6.1) mit einem an der längenverstellbare Pleuelstange (6.1) vorgesehenen Indexbereich (26) einem Sensor (25) und einer Steuereinrichtung, mit den Schritten: Erfassen einer von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängigen Eigenschaft des Indexbereichs (26) mittels dem Sensor (25), Vergleichen der erfassten Eigenschaft des Indexbereichs (26) mit einem Referenzwert in der Steuereinrichtung, und Berechnen der Längenverstellung einer längenverstellbare Pleuelstange (6.1) mittels der Steuereinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Sensor (25) ein berührungsloser Abstandssensor ist, mit den Schritten: Erfassen des Abstands zwischen dem Indexbereich (26) und dem Sensor (25)), Vergleichen des Abstands mit einem Referenzwert in der Steuereinrichtung, und Berechnen der Längenverstellung einer längenverstellbare Pleuelstange (6.1) mittels der Steuereinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Steuereinrichtung das Erfassen einer von der Längenverstellung der Pleuelstange (6.1) abhängigen Eigenschaft des Indexbereichs (26) mittels dem Sensor (25) auslöst.