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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis und einen Pleuel für eine solche Hubkolbenmaschine.
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Aus der
US 2017/0082021 A1 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt, bei welcher mittels eines Exzenters der Verdichtungskolben über zwei in einem Pleuel verfahrbaren Stützkolben verstellbar ist, so dass ein Verdichtungsverhältnis veränderbar ist.
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Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, umfasst eine Kurbelwelle, mindestens einen von der Kurbelwelle bewegbaren Pleuel, der einen Pleuelschaft aufweist, einen von dem Pleuel getragenen Verdichtungskolben, vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters und eines Verstellmechanismus verstellbar ist, wobei der Verstellmechanismus mindestens einen in einem Stützzylinder des Pleuels verfahrbaren Stützkolben aufweist, der in einem in dem Pleuelschaft befindlichen Stützzylinder angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil der Hubkolbenmaschine mittels generativer Fertigung hergestellt ist.
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Als generisches Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck oder „Additive Manufacturing“ werden Fertigungsverfahren verstanden, bei welchen die Fertigung direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem Material, wie Flüssigkeiten, Gelen/Pasten, Schäumen oder Pulver, oder formneutralem Material, band-, draht- oder blattförmigem Halbzeug, mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt.
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Durch eine generative Fertigung ist eine Hubkolbenmaschine herstellbar, welche bezüglich der Verwendung und der auftretenden Belastung optimal angepasst ist. Dabei wird die Auslegung der Hubkolbenmaschine nicht durch das Fertigungsverfahren begrenzt. Durch die optimale Anpassung ist eine Hubkolbenmaschine herstellbar, die ein minimalen Kraftstoffverbrauch und dadurch eine Verringerung der Emissionen ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Teil des Verstellmechanismus und/oder des Pleuelschafts wenigstens als Teilhohlkörper ausgebildet. Als Teilhohlkörper im Sinne der Erfindung wird dabei ein Körper bezeichnet der zumindest teilweise hohl beziehungsweise teilweise im Inneren materialfrei ausgebildet ist. Dadurch kann Material eingespart werden, so dass die Herstellungskosten durch den geringeren Anteil an benötigten Material, reduziert werden können. Zudem wird das Bauteil leichter, so dass eine geringere Masse beschleunigt und abgebremst werden muss, so dass Kraftstoff eingespart wird und somit die Emissionen gesenkt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Pleuelschaft im Bereich oberhalb wenigstens eines Stützzylinders und/oder unterhalb wenigstens eines Stützzylinders als Teilhohlkörper ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Bereich oberhalb beider Stützzylinder und/oder unterhalb beider Stützzylinder angeordnet. In diesen Bereichen ist das meiste Material einsparbar, ohne die Struktur wesentlich zu schwächen.
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Vorzugsweise weist der Verstellmechanismus wenigstens eine Stützstange auf, die zwischen dem Stützkolben und dem Exzenter angeordnet ist, wobei die Stützstange als Teilhohlkörper ausgebildet ist. Dadurch kann Gewicht eingespart und somit der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
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Vorteilhafterweise weisen die als Teilhohlkörper ausgebildeten Bauteile eine Wabenstruktur, eine Gitterstruktur und/oder eine Fachwerkstruktur auf. Durch solche Strukturen können die Bauteile in Form von Leichtbauteilen ausgebildet werden, so dass das Gewicht der Bauteile erheblich reduzierbar ist, ohne das Bauteil strukturell signifikant zu schwächen. Dadurch kann Gewicht und damit Kraftstoff eingespart werden. Durch die Einsparung an Material, wird die Herstellung zudem wirtschaftlicher.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine in dem Pleuel angeordnete Ölpassage einen in mindestens zwei Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems veränderlichen Verlauf und/oder einen sich über den Verlauf ändernden Querschnitt auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Ölpassage einen in mindestens drei Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems veränderlichen Verlauf auf. Vorzugsweise ändert sich der Querschnitt der Ölpassage über den Verlauf kontinuierlich. Dies bedeutet, dass der Querschnitt der Ölpassage sich nicht sprunghaft ändert, so dass ein optimaler Strömungswiderstand erzielt werden kann. Die Merkmale dieser bevorzugten Ausführungsform haben den Vorteil, dass eine Ausrichtung der Ölpassage nicht durch das Fertigungsverfahren begrenzt ist, so dass die Ölpassage optimal anordenbar ist, um beispielsweise besonders bevorzugte Bereich zu kühlen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Funktionselemente mit der Fertigung eingebracht. Als Funktionselemente im Sinne der Erfindung werden dabei Elemente verstanden, die beweglich in einem das Funktionselement aufnehmenden Basiskörper angeordnet sind. Dies können dabei Elemente wie beispielsweise Rückschlagventile, Drosseln, Ventilkörper, Ventilsitze oder ähnliches sein. Durch eine Einbringung der Funktionselemente während der Fertigung kann auf Einbauöffnungen verzichtet werden, so dass größere Gestaltungsfreiheiten der Hubkolbenmaschine ermöglicht werden. Darüber hinaus entfällt der Einbau solcher Funktionselemente, so dass die Hubkolbenmaschine wirtschaftlicher herstellbar ist.
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Vorzugsweise weist wenigstens ein Teil des Verstellmechanismus und/oder des Pleuels lokal eine erhöhte Härte auf. Durch das generative Fertigungsverfahren kann die Härte durch entsprechende Wahl des Materials eingestellt werden. Dadurch kann die Härte von lokalen Bereichen, im Vergleich zu diesen Bereich umgebenden Bereichen erhöht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Härte in besonders beanspruchten Bereichen erhöht werden kann, so dass die Lebensdauer verlängert wird, oder dass dieser Bereich mit weniger Material ausgebildet sein kann, was wiederum zu einer Kraftstoffeinsparung führt.
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Besonders bevorzugt weist ein Zylinderboden eines Stützzylinders eine erhöhte Härte auf. Dadurch kann die Lebensdauer des Zylinderbodens, welcher die Verstellbewegung des Kolbens als „harter“ metallischer Endanschlag begrenzt, verlängert werden. Dadurch können im Gegenzug die Verstellzeiten weiter verkürzt und damit die Verstell- und Auftreffgeschwindigkeiten weiter gesteigert werden, ohne das System derart mechanisch zu belasten, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit signifikant erhöht wird.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich einen Pleuel mit einem Stützzylinder für eine Hubkolbenmaschine. Mittels eines solchen Pleuels können die zu der Hubkolbenmaschine genannten Vorteile erzielt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt
- 1 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hubkolbenmaschine 10 umfasst eine Kurbelwelle 14 und einen von der Kurbelwelle 14 bewegbaren Pleuel 18. Der Pleuel 18, welcher an einem Pleuelfuß 22 an der Kurbelwelle 14 befestigt ist, weist einen Pleuelschaft 26 auf. An einem Pleuelkopf 30 trägt der Pleuel 18 einen Verdichtungs- beziehungsweise Brennkammerkolben 34, mit welchem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer (nicht gezeigt) für einen Brennvorgang komprimiert werden kann. Die Hubkolbenmaschine 10 weist zusätzlich einen Exzenter 38 auf, welcher an dem Pleuelkopf 30 über einen Kolbenbolzen 40 mit dem Verdichtungskolben 34 verbunden ist. Mittels des Exzenters 38 und eines Verstellmechanismus 42 ist ein Verdichtungsverhältnis des Verdichtungskolbens 34 verstellbar. Der Verstellmechanismus 42 weist zwei Stützzylinder 46, 48 auf, welche in dem Pleuelschaft 26 angeordnet sind. Die Stützzylinder 46, 48 können dabei einen gleichen oder einen unterschiedlichen Durchmesser D1, D2 aufweisen. In jedem Stützzylinder 46, 48 ist ein Stützkolben 50, 52 verschiebbar angeordnet. Die Stützkolben 50, 52 sind über Stützstangen 54, 58 außermittig mit einem Exzenterhebel 62 verbunden, welcher formschlüssig über eine Verzahnung 64 mit dem Exzenter 38 verbunden ist. Dadurch wird der Exzenterhebel 62 und damit der Exzenter 38 bei einer Verschiebung der Stützkolben 50, 52 rotiert. Erfindungsgemäß sind die Stützstangen 54, 58 des Verstellmechanismus 42 und ein Teil des Pleuelschafts 26 mittels generativer Fertigung als Teilhohlkörper 68 ausgebildet. Dadurch kann Gewicht und damit Kraftstoff eingespart werden.
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2 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Teilhohlkörper 68 oberhalb eines Stützzylinders 46 und unterhalb eines Stützzylinders 48 ausgebildet sind. Zusätzlich dazu ist ein Teilhohlkörper 68 unterhalb beider Stützzylinder 46, 48 angeordnet. Die Teilhohlkörper 68 die in 2 dargestellt sind weisen dabei eine Wabenstruktur, eine Gitterstruktur und eine Fachwerkstruktur auf. In weiteren möglichen nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindungen kann lediglich eine einzige Struktur verwendet werden oder die verschiedenen Strukturen können beliebig kombiniert sein. Die Strukturen haben den Vorteil, dass bei der Hubkolbenmaschine 10 Gewicht eingespart werden kann, trotz alledem kommt es durch die Materialeinsparung zu keiner wesentlichen Schwächung der Bauteile.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass in dem Pleuel 18 eine Ölpassage 72, welche einen in mindestens zwei Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems veränderlichen Verlauf aufweist, angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Ölpassage 72 nicht geradlinig und linear verläuft. Zusätzlich weist die in 3 gezeigte Ölpassage 72 einen sich über den Verlauf ändernden Querschnitt 76 auf. In 3 ist beispielhaft an drei verschiedenen Stellen des Verlaufes der Querschnitt 76 gezeigt. Durch diese Merkmale kann die Ölpassage 72 optimal an die Gegebenheiten angepasst werden.
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4 zeigt einen Teil eines Pleueldeckels 80 des Pleuels 18 der Hubkolbenmaschine 10 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch das generative Fertigungsverfahren sind in den Pleueldeckel 80 Funktionselemente 82, 83 eingebracht, welche einen Ölfluss in der Ölpassage 72 steuern. Ein erstes Funktionselement 82, welches als Rückschlagventil ausgebildet ist, umfasst eine Feder 85 und eine Kugel 86, welche die Ölpassage 72 verschließt. Des Weiteren ist ein zweites Funktionselement 83 angeordnet, welches aus einer mechanischen Federrastierung 87 gebildet ist.
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5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist ein mit einem Kästchen eingerahmter Teil eines Zylinderbodens 88, 90 lokal eine erhöhte Härte auf. Dadurch kann Haltbarkeit des als Endanschlag dienenden Zylinderbodens 88, 90 erhöht und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit der Hubkolbenmaschine 10 verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0082021 A1 [0002]
