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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, sowie 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, welche mit Hilfe von hydraulisch oder mechanisch betätigbaren Umschaltventilen eine Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels betätigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pleuel zu schaffen, welches eine verbesserte Schmierung des Exzenters aufweist.
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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 variabler Verdichtung vorgeschlagen, umfassend ein Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ein Pleuellagerauge zur Anbindung des Pleuels an einen Zylinderkolben der Brennkraftmaschine, sowie eine Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter mit einer Kolbenbolzenbohrung auf, in welcher ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufgenommen ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist zwei Hydraulikkammern mit jeweils einem Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange gelenkig verbunden ist. Der Kolben weist an einer Außenseite eine umlaufende Ausnehmung auf, in welcher ein Dichtelement angeordnet ist. In das Pleuellagerauge und/oder in den Exzenter sind Schmierölbohrungen eingebracht sind, so dass einerseits zwischen dem Pleuellagerauge und dem Exzenter und andererseits zwischen der Kolbenbolzenbohrung und dem Kolbenbolzen des Zylinderkolbens ein Schmierölfilm aufbaubar ist. Dabei sind Mittel zur Erhöhung der Schmierung des Exzenters und/oder der Kolbenbolzenbohrung vorgesehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Pleuel weist der Exzenter gegenüber Ausführungen gemäß dem Stand der Technik eine zusätzliche radiale Bohrung auf. Diese Bohrung sorgt dafür, dass in einem Schaltzustand niedriger Verdichtung der Exzenter-Verstelleinrichtung beide Ölschmierungsbohrungen des Pleuellagerauges mit der Kolbenbolzenbohrung verbunden sind. Dadurch kann das Risiko einer Mangelschmierung in der Verbindung Exzenter-Kolbenbolzen vorteilhaft verringert werden.
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Zweckmäßigerweise kann ein Querschnitt der Bohrungen im Exzenter größer ausgeführt sein als ein Querschnitt der Bohrungen im Pleuellagerauge. Außerdem können die Bohrungen vom Winkel her leicht versetzt sein und zwar so, dass sich die Bohrungen bei Mikrobewegungen der Hebelbaugruppe konzentrisch ausrichten können. So ist gewährleistet, dass immer eine gute Schmierung des Exzenters sowie der Kolbenbolzenbohrung stattfinden kann.
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Zusätzliche Bohrungen parallel zu einer Achse des Exzenters können zum einen der Gewichtsreduktion und zum anderen zum Ausrichten bei der Einzelteilfertigung dienen.
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Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Pleuel eine Verbesserung der Schmierung des Exzenters, sowohl in der Verbindung Exzenter-Pleuellagerauge als auch in der Verbindung Exzenter-Kolbenbolzen. Mangelschmierung zwischen den genannten tribologischen Partnern, welches zu erhöhtem Verschleiß führen und damit die Lebensdauer der Komponenten entscheidend verkürzen könnte, kann so günstigerweise reduziert werden. Eine kostenaufwendige Beschichtung des Exzenters zur Reduzierung des tribologischen Verschleißes kann so vermieden werden.
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Auch kann durch zusätzliche Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge und/oder im Exzenter das Gewicht des Pleuels günstigerweise reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können wenigstens zwei der Schmierölbohrungen im Exzenter in radialer Richtung des Exzenters ausgerichtet sein. Dadurch lassen sich die Schmierölbohrungen im Exzenter bei einer Verdrehung des Exzenters günstigerweise mit Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge verbinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können wenigstens zwei der Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge in radialer Richtung des Pleuellagerauges ausgerichtet sein. Dadurch lassen sich die Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge bei einer Verdrehung des Exzenters günstigerweise mit Schmierölbohrungen im Exzenter verbinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Exzenter wenigstens drei Schmierölbohrungen aufweisen. Damit können zweckmäßigerweise wenigstens zwei der Schmierölbohrungen mit den Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge verbunden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pleuellagerauge wenigstens zwei Schmierölbohrungen aufweisen. Auf diese Weise lassen sich in einem Schaltzustand der Exzenter-Verstelleinrichtung zwei der Schmierölbohrungen im Exzenter mit den Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge verbinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge auf einem außenliegenden Umfang des Pleuellagerauges angeordnet sein. Die Schmierölbohrungen sind so von der Längserstreckung des Pleuels weg gerichtet angeordnet und können so günstig im Betrieb mit Öl versorgt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem ersten Schaltzustand der Exzenter-Verstelleinrichtung wenigstens eine der Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge über wenigstens eine der Schmierölbohrungen des Exzenters mit der Kolbenbolzenbohrung verbunden sein. Auf diese Weise kann insbesondere im Schaltzustand hoher Verdichtung des Pleuels eine gute Schmierung des Pleuellagerauges sowie der Kolbenbolzenbohrung gewährleistet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können in einem zweiten Schaltzustand der Exzenter-Verstelleinrichtung die wenigstens zwei Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge über Schmierölbohrungen im Exzenter mit der Kolbenbolzenbohrung verbunden sein. Auf diese Weise kann insbesondere im Schaltzustand niedriger Verdichtung des Pleuels eine gute Schmierung des Pleuellagerauges sowie der Kolbenbolzenbohrung gewährleistet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Querschnitt der Schmierölbohrungen im Exzenter größer sein als ein Querschnitt der Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge. Auf diese Weise kann auch bei nicht exakter Orientierung der Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge zu den Schmierölbohrungen im Exzenter auf Grund von maßlichen Toleranzen eine effektive Verbindung zwischen den Schmierölbohrungen und damit eine ausreichende Versorgung von Pleuellagerauge und Kolbenbolzenbohrung mit Schmieröl gewährleistet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können Winkellagen der Schmierölbohrungen im Exzenter und Winkellagen von korrespondierenden Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge gegeneinander versetzt sein. Auf diese Weise können sich die Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge und im Exzenter bei Mikrobewegungen der Exzenterhebelbaugruppe konzentrisch ausrichten, sodass eine effektive Verbindung zwischen den Schmierölbohrungen und damit eine ausreichende Versorgung von Pleuellagerauge und Kolbenbolzenbohrung mit Schmieröl gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Schmierölbohrungen im Exzenter auf einem Umfang entlang einer axialen Ausdehnung des Exzenters mittig angeordnet sein. Dadurch ist eine Fertigung des Exzenters mit Anbringung der Schmierölbohrungen günstig möglich. Außerdem ist eine sichere Verbindung zu den Schmierölbohrungen im Pleuellagerauge auf günstige Weise erreichbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Exzenter auf seinem Umfang parallel zu einer Achse des Exzenters ausgerichtete Bohrungen aufweisen. Mittels solcher Bohrungen lässt sich Material des Exzenters reduzieren und damit das Gewicht des Exzenters vermindern. Damit kann das Gesamtgewicht des Pleuels reduziert werden. Außerdem lässt sich die Verstellgeschwindigkeit der Exzenter-Verstelleinrichtung auf Grund der geringeren Masse erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann wenigstens eine axiale Bohrung zwischen zweien der Schmierölbohrungen angeordnet sein. So kann Material an geeigneten Stellen des Exzenters und damit das Gewicht des Exzenters reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die axialen Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise lassen sich die axialen Bohrungen der verbleibenden Wandstärke des Exzenters auf Grund der Kolbenbolzenbohrung anpassen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis vorgeschlagen mit wenigstens einem Pleuel wie oben beschrieben. Dadurch kann ein vorteilhafter Verbrennungsprozess und damit niedrigerer Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umgesetzt werden. Vorteilhaft erlaubt das Pleuel eine Verbesserung der Schmierung des Exzenters, sowohl in der Verbindung Exzenter-Pleuellagerauge als auch in der Verbindung Exzenter-Kolbenbolzen. Mangelschmierung zwischen den genannten tribologischen Partnern, welches zu erhöhtem Verschleiß führen und damit die Lebensdauer der Komponenten entscheidend verkürzen könnte, kann so günstigerweise reduziert werden. Eine kostenaufwendige Beschichtung des Exzenters zur Reduzierung des tribologischen Verschleißes kann so vermieden 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 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Pleuels im Längsschnitt, wobei das Pleuel im Schaltzustand hoher Verdichtung dargestellt ist;
- 2 den Ausschnitt des Pleuels gemäß 1, wobei das Pleuel im Schaltzustand niedriger Verdichtung dargestellt ist;
- 3 eine isometrische Darstellung des Exzenters des Pleuels gemäß 1; und
- 4 einen Querschnitt durch den Exzenter gemäß 3.
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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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1 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft einen längsgeschnittenen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche als Abstand der Mittelachse eines nicht gezeigten Hublagerauges von der Mittelachse der Bohrung eines Exzenters 4 definiert ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 weist den mit einem ein oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkenden Exzenter 4 auf, in welchem ein nicht dargestellter Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist mittels eines nicht dargestellten Umschaltventils verstellbar.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massenkräften und Lastkräften der Brennkraftmaschine initiiert, die bei einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte.
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Die Kolben 6, 7 sind jeweils in einer Zylinderbohrung 8, 9 eines Hydraulikzylinders 14, 15 des Pleuels 1 verschiebbar geführt und mit Stützstangen 10, 11 verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel 3 gelenkig verbunden sind. Beispielhaft sind die Stützstangen 10, 11 der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 über Zylinderrollen 46, 47 mit dem Exzenterhebel 3 verbunden.
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Der Pleuel 1 weist das nicht dargestellte Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels 1 an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sowie ein Pleuellagerauge 13 zur Anbindung des Pleuels 1 an den Zylinderkolben der Brennkraftmaschine auf.
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Die Kolben 6, 7 sind in durch die Zylinderbohrungen 8, 9 gebildete Zylinder 14, 15 als Hydraulikkammern verschiebbar angeordnet und über Zuläufe von dem Hublagerauge aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 14, 15 zurück in die Zuläufe, ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 14, 15.
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Die Kolben 6, 7 weisen an einer Außenseite eine umlaufende Ausnehmung 16, 17 auf, in welcher ein Dichtelement 18, 19 angeordnet ist. Mittels dieses Dichtelements 18, 19 sind die Kolben 6, 7 in den Hydraulikkammern 14, 15 abgedichtet.
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Die Hydraulikkammern 14, 15 sind weiter über nicht dargestellte Abläufe mit dem Umschaltventil verbunden, welches als Hydraulikventil oder als mechanisches Ventil ausgebildet sein kann und über eine Ablaufleitung mit dem Hublagerauge verbunden ist.
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In das Pleuellagerauge 13 und in den Exzenter 4 sind Schmierölbohrungen 50, 51, 52, 53 eingebracht sind, so dass einerseits zwischen dem Pleuellagerauge 13 und dem Exzenter 4 und andererseits zwischen dem Exzenter 4 und dem in der Kolbenbolzenbohrung 55 geführten Zylinderbolzen ein Schmierölfilm aufbaubar ist.
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Um die Schmierung des Exzenters 4 zu verbessern, sind erfindungsgemäß Mittel zur weiteren Erhöhung der Schmierung des Exzenters 4 und/oder der Kolbenbolzenbohrung 55 vorgesehen. Eine Mangelschmierung und dadurch resultierender Verschleiß kann hierdurch weiter reduziert bzw. verhindert werden.
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Das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Exzenter 4 eine weitere radiale Schmierölbohrung 54 aufweist. Der Exzenter 4 weist also wenigstens drei Schmierölbohrungen 52, 53, 54 auf. Das Pleuellagerauge 13 weist wenigstens zwei Schmierölbohrungen 50, 51 auf.
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Dabei sind wenigstens zwei der Schmierölbohrungen 52, 53, 54 im Exzenter 4 in radialer Richtung des Exzenters 4 ausgerichtet, während wenigstens zwei der Schmierölbohrungen 50, 51 im Pleuellagerauge 13 in radialer Richtung des Pleuellagerauges 13 ausgerichtet sind.
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Die Schmierölbohrungen 50, 51 im Pleuellagerauge 13 sind auf einem außenliegenden Umfang des Pleuellagerauges 13 angeordnet. Die Schmierölbohrungen 50, 51 sind so von der Längserstreckung des Pleuels 1 weg gerichtet angeordnet und können so günstig im Betrieb mit Öl versorgt werden.
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In 1 ist das Pleuel 1 in einem ersten Schaltzustand S1 für hohe Verdichtung dargestellt. In dem ersten Schaltzustand S1 der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist wenigstens eine der Schmierölbohrungen 50 im Pleuellagerauge 13 über wenigstens eine der Schmierölbohrungen 52 des Exzenters 4 mit der Kolbenbolzenbohrung 55 verbunden.
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Die Schmierölbohrung 54 sorgt dafür, dass in einem zweiten Schaltzustand S2 niedriger Verdichtung des Pleuels 1, welcher in 2 dargestellt ist, beide Schmierölbohrungen 50, 51 vom Pleuellagerauge 13 mit der Kolbenbolzenbohrung 55 verbunden sind. Dies verringert das Risiko einer Mangelschmierung in der Verbindung Exzenter-Kolbenbolzen.
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Wie in den Längsschnitten in 1 und 2 klar zu erkennen ist, ist ein Querschnitt der Schmierölbohrungen 52, 53, 54 im Exzenter 4 größer als ein Querschnitt der Schmierölbohrungen 50, 51 im Pleuellagerauge 13. Auf diese Weise kann auch bei nicht exakter Orientierung der Schmierölbohrungen 50, 51 im Pleuellagerauge 13 zu den Schmierölbohrungen 52, 53, 54 im Exzenter 4 auf Grund von maßlichen Toleranzen eine effektive Verbindung zwischen den Schmierölbohrungen 50, 51, 52, 53, 54 und damit eine ausreichende Versorgung von Pleuellagerauge 13 und Kolbenbolzenbohrung 55 mit Schmieröl gewährleistet werden.
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Weiter sind Winkellagen der Schmierölbohrungen 52, 53, 54 im Exzenter 4 und Winkellagen von korrespondierenden Schmierölbohrungen 50, 51 im Pleuellagerauge 13 gegeneinander versetzt angeordnet. Auf diese Weise können sich die Schmierölbohrungen 50, 51, 52, 53, 54 im Pleuellagerauge 13 und im Exzenter 4 bei Mikrobewegungen der Exzenterhebelbaugruppe konzentrisch ausrichten, sodass eine effektive Verbindung zwischen den Schmierölbohrungen 50, 51, 52, 53, 54 und damit eine ausreichende Versorgung von Pleuellagerauge 13 und Kolbenbolzenbohrung 55 mit Schmieröl gewährleistet werden kann.
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3 zeigt eine isometrische Darstellung des Exzenters 4 des Pleuels 1 gemäß 1, während 4 einen Querschnitt durch den Exzenter 4 gemäß 3 darstellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Schmierölbohrungen 52, 53, 54 im Exzenter 4 auf einem Umfang 23 entlang einer axialen Ausdehnung des Exzenters 4 mittig angeordnet sind. Die axiale Ausdehnung ist durch die eingezeichnete Achse 24 des Exzenters 4 definiert. Die Schmierölbohrungen 52, 53, 54 sind als radiale Bohrungen durch den Exzenter 4 auf dem Umfangskreis 23 angeordnet.
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Weiter weist der Exzenter 4 auf seinem Umfang 23 parallel zu der Achse 24 des Exzenters 4 ausgerichtete Bohrungen 20, 21, 22 auf, wobei wenigstens eine axiale Bohrung 20 zwischen zweien der Schmierölbohrungen 52, 53, 54 angeordnet ist. Mittels solcher Bohrungen 20, 21, 22 lässt sich Material des Exzenters 4 reduzieren und damit das Gewicht des Exzenters 4 vermindern. So kann Material an geeigneten Stellen des Exzenters und damit das Gewicht des Exzenters reduziert werden. Damit kann das Gesamtgewicht des Pleuels 1 reduziert werden. Außerdem lässt sich die Verstellgeschwindigkeit der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 auf Grund der geringeren Masse erhöhen.
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Die drei axialen Bohrungen 20, 21, 22 im Exzenter 4 dienen außer der Gewichtsreduktion zum Ausrichten bei der Einzelteilfertigung.
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Die axialen Bohrungen 20, 21, 22 weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Auf diese Weise lassen sich die axialen Bohrungen 20, 21, 22 der verbleibenden Wandstärke des Exzenters 4 auf Grund der Kolbenbolzenbohrung 55 anpassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015103201 A1 [0003]
