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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In einer Verbrennungskraftmaschine verdichtet ein Kolben ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das dann im verdichteten Zustand gezündet wird. Dieses Prinzip wird in Ottomotoren genutzt. Bei einer zu starken Verdichtung entzündet sich das Gemisch jedoch selbst, was zu einer hohen mechanischen und thermischen Beanspruchung von Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine führt. Daher wird das vom Kolben erreichte Verdichtungsverhältnis üblicherweise auf den Volllastbereich ausgelegt, um diese Selbstzündungen zu vermeiden. Dies hat zur Folge, dass im Teillastbetrieb ein geringerer Verdichtungsdruck vorliegt. Dies hat einen geringeren Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zur Folge.
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Auch in Dieselmotoren sind unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse in unterschiedlichen Situationen vorteilhaft. So wird zur Sicherung eines zuverlässigen Kaltstartvermögens ein relativ großes Verdichtungsverhältnis benötigt, während im Normalbetrieb ein geringeres Verdichtungsverhältnis vorteilhaft ist.
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Die
DE 10 2007 040 699 A1 offenbart, das Verdichtungsverhältnis in einer Verbrennungskraftmaschine zu verändern, indem ein magnetostriktives Material zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenbolzen angeordnet ist, das bei Anlegung eines Magnetfelds seine Form ändert.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einer solchen Verbrennungskraftmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Zylinder, einen Kolben, ein Pleuel, einen Kolbenbolzen, ein Kolbenbolzenlagermittel und ein Antriebsmittel. Der Kolben ist über das Kolbenbolzenlagermittel und den Kolbenbolzen mit dem Pleuel verbunden. Der Kolbenbolzen ist im Kolbenbolzenlagermittel gelagert. Das Pleuel ist mit dem Antriebsmittel verbunden. Der Kolben ist im Zylinder gleitend durch das Antriebsmittel antreibbar. Das Antriebsmittel kann beispielsweise als Kurbeltrieb ausgebildet sein. Es ist insbesondere möglich, dass das Antriebsmittel als Kurbelwelle ausgebildet ist.
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Ein Abstand zwischen dem Kolben und dem Pleuel ist durch eine Rotation des Kolbenbolzenlagermittels einstellbar. Dies ist beispielsweise möglich, wenn das Kolbenbolzenlagermittel nicht rotationssymmetrisch zur Achse der Rotation ausgebildet ist. Durch die Einstellung des Abstands wird das Verdichtungsverhältnis beeinflusst. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen dem Kolben und dem Pleuel größer wird, erhöht sich das Verdichtungsverhältnis. Umgekehrt verringert sich das Verdichtungsverhältnis, wenn der Abstand zwischen dem Kolben und dem Pleuel verringert wird.
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Nach einer Ausführungsform kann die Verbrennungskraftmaschine erste magnetische Mittel umfassen. Die ersten magnetischen Mittel können vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die ersten magnetischen Mittel als Elektromagneten ausgebildet sind.
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Die ersten magnetischen Mittel sind dazu ausgebildet, eine Kraft auf das Kolbenbolzenlagermittel auszuüben, wodurch das Kolbenbolzenlagermittel in Rotation versetzbar ist. Beispielsweise können die ersten magnetischen Mittel am Kolbenbolzenlagermittel befestigt sein. Wenn dann eine magnetische oder elektromagnetische Kraft auf die ersten magnetischen Mittel wirkt, üben die ersten magnetischen Mittel eine Kraft auf das Kolbenbolzenlagermittel aus.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Verbrennungskraftmaschine elektromagnetische Mittel umfassen. Die elektromagnetischen Mittel können beispielsweise als elektrische Spulen ausgebildet sein. Wie bereits erwähnt, können die ersten magnetischen Mittel am Kolbenbolzenlagermittel befestigt sein. Die elektromagnetischen Mittel können mechanisch entkoppelt vom Pleuel angeordnet sein. Der Kolben kann dazu ausgebildet sein, beim Antrieb durch das Antriebsmittel eine Hubbewegung mit einem unteren Totpunkt auszuführen. Die elektromagnetischen Mittel können so angeordnet sein, dass die elektromagnetischen Mittel eine elektromagnetische Kraft auf die ersten magnetischen Mittel ausüben, wenn der Kolben am unteren Totpunkt ist. Unter einer elektromagnetischen Kraft wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere die Kraft verstanden, die aufgrund des von den elektromagnetischen Mitteln erzeugten elektromagnetischen Felds wirkt.
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Zu diesem Zweck können die elektromagnetischen Mittel beispielsweise neben dem unteren Totpunkt angeordnet sein. Es können beispielsweise zwei elektromagnetische Mittel neben dem unteren Totpunkt angeordnet sein, wobei das von ihnen erzeugte elektromagnetische Feld zwischen ihnen angeordnet ist und den Totpunkt umfasst. Es ist auch möglich, dass die elektromagnetischen Mittel in einem Bereich angeordnet sind, der neben dem Pleuel und/oder dem Kolben angeordnet ist und sich zwischen dem unteren Totpunkt und der Mitte zwischen dem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt erstreckt. Der obere Totpunkt ist dabei der obere Totpunkt der Bewegung des Kolbens. Auch in diesem Fall können zwei elektromagnetische Mittel zwischen sich das elektromagnetische Feld erzeugen.
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Die elektromagnetischen Mittel können beispielsweise gemeinsam mit dem Antriebsmittel in einem Gehäuse angeordnet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die elektromagnetische Kraft die Rotation des Kolbenbolzenlagermittels auslösen. Durch die Anordnung der elektromagnetischen Mittel wird die Rotation dann in etwa im Bereich des unteren Totpunkts ausgelöst. Dies ist vorteilhaft, da dann für den nächsten Verdichtungsvorgang das geänderte Verdichtungsverhältnis zur Verfügung steht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, die elektromagnetischen Mittel zu steuern. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die elektromagnetischen Mittel ein- und auszuschalten. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die elektromagnetischen Mittel in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens ein- und auszuschalten. So kann gezielt das Verdichtungsverhältnis verändert werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Rotation um 180° erfolgen. Auf diese Weise lässt sich nach einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses besonders einfach wieder der vorherige Zustand wiederherstellen, nämlich durch eine weitere Rotation des Kolbenbolzenlagermittels.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kolbenbolzenlagermittel als exzentrische Lagerschale ausgebildet sein. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Schale verstanden, die den Kolbenbolzen zumindest abschnittweise vollumfänglich umgibt und an einer ersten Seite eine erste Dicke aufweist, die geringer ist als eine zweite Dicke einer zweiten Seite, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüber angeordnet ist. Für eine besonders einfache Rotation kann das Kolbenbolzenlagermittel insbesondere frei von Ecken und somit abgerundet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Verbrennungskraftmaschine zweite und dritte magnetische Mittel umfassen. Die zweiten magnetischen Mittel können am Kolbenbolzenlagermittel angeordnet sein. Die dritten magnetischen Mittel können neben dem Kolbenbolzenlagermittel angeordnet sein, sodass die zweiten und dritten magnetischen Mittel eine magnetische Kraft aufeinander ausüben. Insbesondere können die dritten magnetischen Mittel benachbart zu den zweiten magnetischen Mitteln angeordnet sein. Dabei ist zu beachten, dass die dritten magnetischen Mittel mechanisch entkoppelt vom Bolzenlagerungsmittel sind, sodass sie sich bei einer Rotation des Bolzenlagerungsmittels nicht mitdrehen.
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Vorzugsweise sind die zweiten und dritten magnetischen Mittel so angeordnet, das sie sich anziehen. Auf diese Weise wird das Kolbenbolzenlagermittel gegen eine unerwünschte Rotation gesichert. Eine Rotation ist erst möglich, wenn eine Kraft die Anziehungskraft der zweiten und dritten magnetischen Mittel überwindet.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die magnetische Kraft die Rotation solange hemmen, bis das Kolbenbolzenlagermittel um mehr als 90° rotiert wurde. Außerdem können die zweiten und dritten magnetischen Mittel die Rotation unterstützen, sobald eine Drehung um mehr als 90° erfolgt ist, da dann wieder eine Anziehungskraft zwischen den zweiten und dritten magnetischen Mitteln wirkt. In diesem Fall kann das Kolbenbolzenlagermittel im rotierten Zustand wieder durch die zweiten und dritten magnetischen Mittel gegen eine unerwünschte Rotation gesichert sein. Bei der Rotation erfolgt aufgrund der Magnetkräfte zwischen den zweiten und dritten magnetischen Mitteln ein sanftes Einrasten in der rotierten Lage.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Kolbenbolzenlagermittel eine abgeflachte Seite aufweist. Im Kolben können vierte magnetische Mittel angeordnet sein. Ohne Einwirkung einer magnetischen Kraft auf die vierten magnetischen Mittel liegen dabei die vierten magnetischen Mittel zumindest teilweise am Kolbenbolzenlagermittel an. Da der innerhalb des Kolbenbolzenlagermittels gelagerte Kolbenbolzen magnetisch ist, üben die vierten magnetischen Mittel eine mechanische Kraft auf das Kolbenbolzenlagermittel aus und verhindern somit eine unerwünschte Rotation des Kolbenbolzenlagermittels.
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Wenn die vierten magnetischen Mittel in das durch die elektromagnetischen Mittel erzeugte Magnetfeld gelangen, werden sie aufgrund der elektromagnetischen Kraft vom Kolbenbolzenlagermittel wegbewegt, sodass eine Rotation des Kolbenbolzenlagermittels möglich ist.
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Gemäß dem Verfahren werden die elektromagnetischen Mittel zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, an dem sich der Kolben zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt befindet. Die elektromagnetischen Mittel üben eine elektromagnetische Kraft auf die ersten magnetischen Mittel aus, wodurch die Rotation des Kolbenbolzenlagermittels ausgelöst wird. Die elektromagnetische Kraft ist dabei vorzugsweise ausreichend groß, um eine eventuell vorhandene Rastkraft - beispielsweise zwischen den zweiten und dritten magnetischen Mitteln - zu überwinden.
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Die Rotation wird nach 180° beendet und die elektromagnetischen Mittel werden ausgeschaltet. Dies geschieht vorzugsweise, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.
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Das Ein- und Ausschalten der elektromagnetischen Mittel gemäß dem Verfahren kann beispielsweise durch die Steuereinheit ausgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigen
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kolbenbolzenlagermittels nach einer Ausführungsform der Erfindung mit ersten magnetischen Mitteln;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 bis 12 seitliche schematische Ansichten des Bewegungsablaufs des Kolbenbolzenlagermittels bei der Ausführungsform aus 1;
- 13 bis 20 seitliche schematische Ansichten des Bewegungsablaufs des Kolbenbolzenlagermittels bei einer Ausführungsform mit einer Verdrehsicherung.
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Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Pleuel 100, einen Kolbenbolzen 101, ein Kolbenbolzenlagermittel 102, elektromagnetische Mittel 103 und erste magnetische Mittel 104. Das Pleuel 100 wird im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch ein nicht dargestelltes Antriebsmittel, wie beispielsweise eine Kurbelwelle, angetrieben. Am Kolbenbolzenlagermittel 102 ist ein Kolben 300 angeordnet. Das Kolbenbolzenlagermittel 102 besteht aus einem nicht-ferromagnetischen Material. Die ersten magnetischen Mittel 104 sind formschlüssig am Kolbenbolzenlagermittel 102 befestigt. Auch eine andere Befestigungsart ist hier jedoch denkbar.
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Im Betrieb wird der Kolben 300 zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt durch das Pleuel 100 bewegt. Die elektromagnetischen Mittel 103 sind im Bereich des unteren Totpunkts angeordnet, sodass sie im eingeschalteten Zustand eine elektromagnetische Kraft auf die ersten magnetischen Mittel 104 ausüben.
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Wenn eine Rotation des Kolbenbolzenlagermittels 102 gewünscht ist, um das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine zu verändern, können die elektromagnetischen Mittel 103 eingeschaltet werden, sodass sie eine elektromagnetische Kraft auf die ersten magnetischen Mittel 104 ausüben, die die ersten magnetischen Mittel 104 von den elektromagnetischen Mitteln 103 wegdrückt. Hierdurch wird eine Rotation des Kolbenbolzenlagermittels 102 ausgelöst.
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Das Kolbenbolzenlagermittel 102 ist rotationsasymmetrisch ausgebildet und weist eine erste Seite 400 und eine zweite Seite 401 auf. Dabei ist die erste Seite 400 dünner als die zweite Seite 401. Wenn - wie in 4 dargestellt - die erste Seite 400 unten ist, weist die Verbrennungskraftmaschine ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis auf als wenn die erste Seite 400 oben ist, da der Kolben 300 weiter entfernt vom Pleuel 100 angeordnet ist, wenn die zweite Seite 401 unten ist.
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In 8 hat sich das Kolbenbolzenlagermittel 102 um 90° gedreht. Nun wirkt die von den elektromagnetischen Mitteln 103 ausgeübte Kraft anziehend auf die ersten magnetischen Mittel 104, sodass die Rotation weiter fortgesetzt wird, bis 180° erreicht wurden (12). Wenn die Rotation rückgängig gemacht werden soll, kann bei einer der nächsten Bewegungen des Kolbens 300 durch die elektromagnetischen Mittel 103 ein umgekehrt gepoltes elektromagnetisches Feld erzeugt werden, sodass sich das Kolbenbolzenlagermittel 102 um 180° zurück dreht.
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In 3 ist eine Verdrehsicherung dargestellt. Im Kolbenbolzenlagermittel 102 sind zweite magnetische Mittel 301 angeordnet. Am Kolben 300 sind dritte magnetische Mittel 302 befestigt. In der in 3 dargestellten Konfiguration ziehen sich die zweiten magnetischen Mittel 301 und die dritten magnetischen Mittel 302 an. Diese Anziehungskraft verhindert unerwünschte Rotationen des Kolbenbolzenlagermittels 102, da sie erst überwunden werden muss, um eine Rotation durchzuführen. Das elektromagnetische Feld der elektromagnetischen Mittel 103 aus den 1 und 4 bis 12 ist dabei stark genug, um die Rotation auszulösen.
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Bei der Verdrehsicherung aus 3 ist außerdem vorteilhaft, dass die dritten magnetischen Mittel 302 die Rotation des Kolbenbolzenlagermittels 102 unterstützen, indem sie nach einer Rotation des Kolbenbolzenlagermittels 102 um 90° die zweiten magnetischen Mittel 301 anziehen. Nach einer Rotation um 180° rastet das Kolbenbolzenlagermittel 102 aufgrund der magnetischen Kräfte weich ein.
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In den 13 bis 20 ist eine Anordnung dargestellt, die beispielsweise auf einer der in den 13 bis 20 dargestellten Seite gegenüberliegenden Seite so ausgestaltet sein kann wie die in den 1 und 4 bis 12 dargestellte Anordnung. Die Anordnung in den 13 bis 20 umfasst eine alternative Verdrehsicherung, die folgendermaßen aufgebaut ist. Das Kolbenbolzenlagermittel 102 weist eine abgeflachte Seite 1302 auf. Im Kolben 300 sind vierte magnetische Mittel 1300 und 1301 angeordnet. Da der innerhalb des Kolbenbolzenlagermittels 102 angeordnete Kolbenbolzen 101 magnetisch ist, liegen die vierten magnetischen Mittel 1300 und 1301 am Kolbenbolzenlagermittel 102 an und üben eine Kraft auf das Kolbenbolzenlagermittel 102 aus. Dabei liegt das vierte magnetische Mittel 1300 formschlüssig an der abgeflachten Seite 1302 an und verhindert so eine unerwünschte Rotation des Kolbenbolzenlagermittels 102.
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Wenn die vierten magnetischen Mittel 1300 und 1301 in das elektromagnetische Feld der elektromagnetischen Mittel 103 eingeführt werden, wirkt eine elektromagnetische Kraft auf die vierten magnetischen Mittel 1300 und 1301. Das vierte magnetische Mittel 1300 wird dabei vom Kolbenbolzenlagermittel 102 wegbewegt, sodass das Kolbenbolzenlagermittel 102 frei für eine Rotation ist. Dies ist beispielsweise in 15 dargestellt.
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Wenn die Rotation um 180° erfolgt ist (20), wird das vierte magnetische Mittel 1301 durch das elektromagnetische Feld gegen die abgeflachte Seite 1302 gedrückt, sodass unerwünschte Rotationen wieder verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040699 A1 [0004]
