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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Pleuel zur Verstellung einer effektiven Pleuellänge für eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis sowie eine Pleuelanordnung und eine Brennkraftmaschine mit einem 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 Pleuellänge bekannt.
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Nach den gesetzlichen Anforderungen für die Onboard Diagnose (OBD) von Kraftfahrzeugen muss das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine während des Motorbetriebes bestimmt werden können. Das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch die aktuelle Pleuelstangenlänge bei einem Pleuel mit veränderlicher Pleuelstangenlänge geändert. Die Pleuelstangenlänge wird typisch über eine Verdrehung eines Exzenters variiert. Stand der Technik zur Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses ist die Erfassung der Pleuelstangenlänge über eine entsprechende Gebergeometrie, welche am jeweiligen Kolben der Brennkraftmaschine angebracht ist. Beispielsweise kann eine Messung der Pleuellänge über einen Sensor, der einen im Verbrennungskolben eingebauten Geber, beispielsweise einen Magneten, erfolgen. Dies bedingt eine für den Anwendungsfall spezifische Designänderung vorhandener Verbrennungskolben in einem Kolbenmotor.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel mit einer Erkennung der Pleuelstangenlänge zu schaffen, das einfach zu montieren und hoch belastbar ist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Pleuelanordnung 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, und eine Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter aufweist, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Dabei weist die Exzenter-Verstelleinrichtung zwei Hydraulikkammern mit jeweils einem Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange verbunden ist, welche am anderen Ende mit dem Exzenterhebel verbunden ist. Dabei sind wenigstens zwei Schaltstellungen der Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung der Pleuelstangenlänge vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist an der Exzenter-Verstelleinrichtung ein Positionsgeberelement zur Erfassung der Schaltstellung der Verstelleinrichtung angeordnet.
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Vorgeschlagen wird ein Pleuel mit einer Positionsgeberanordnung, mit der man die Winkellage des Exzenters, bzw. des Exzenterhebels mindestens einmal pro Motorumdrehung erkennen kann.
Dazu wird mindestens ein geometrisches Merkmal über eine Geberkontur eines Bauteils am Pleuel, welches während einer Verdrehung des Exzenters eine Relativbewegung zum Pleuelgrundkörper ausführt von einem Sensor erfasst. Das Bauteil kann beispielsweise der Exzenter, die Hebelbaugruppe, eine Stützstange zur Pleuelverstellung, oder ein Stützkolben sein.
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Günstig ist es, ein entsprechendes Positionsgeberelement am Exzenterhebel anzubringen, da dieser an einer Außenseite des Pleuels zugänglich ist, um von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Sensor erfasst werden zu können. Das Positionsgeberelement kann beispielsweise eine Lasche sein, die abhängig von der Winkellage von Exzenter, bzw. Exzenterhebel während einer Motorumdrehung zu verschiedenen Kurbelwinkellagen der Kurbelwelle von einem kurbelgehäusefesten Sensor erfasst wird.
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Die Positionsgebergeometrie kann auch so ausgeführt sein, dass nur während einer der beiden Endlagen des Pleuels ein Sensorsignal erzeugt wird. Das Positionsgeberelement kann beispielsweise einen Permanentmagneten enthalten.
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Durch eine entsprechende Ausbildung des Positionsgeberelements im Rahmen der Bauteilherstellung über entsprechende Konstruktionsgestaltung, wie beispielsweise eine lageabhängige Materialdicke, können sowohl die Pleuelgrundstellungen als auch die kontinuierlichen Zwischenstellungen erfasst werden. Damit ist eine Längenmessung des variablen Pleuels möglich. Die entsprechende Ausgestaltung des Exzenterhebels kann beispielsweise mit einer gestanzten oder geprägten Blechsekundärzunge erfolgen, die im Drehzyklus des Pleuels den zugehörigen Erfassungsbereich, beispielsweise eines Hallsensors durchläuft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement eine Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung anzeigen. Die Winkelstellung des Exzenters ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Pleuelstangenlänge und damit des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine. Die Erfassung der Winkelstellung ist auf Grund des relativ großen Winkelbereichs, den der Exzenter durchläuft, mit genügend großer Genauigkeit möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement an dem Exzenterhebel und/oder an einer Stützstange angeordnet sein. Eine mögliche Anordnung des Positionsgeberelements direkt am Exzenterhebel erlaubt die eindeutige Zuordnung auf die Winkelstellung des Exzenters. Genauso kann die Winkelstellung über ein Positionsgeberelement, welches an einer Stützstange angeordnet ist, erfasst werden, Auch die Stützstange führt während dem Betrieb des Pleuels bei einer Änderung der Schaltstellung eine große räumliche Bewegung aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement für eine stufenweise Anzeige der Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise kann eine stufenweise Anzeige der Winkelstellung vorgenommen werden, da die Änderung der Pleuelstangenlänge üblicherweise nur zwei Endstellungen vorsieht. Dadurch werden keine großen Ansprüche an die Genauigkeit der Sensorauflösung gestellt, wodurch eine kostengünstige Realisierung der Erfassung der Winkelstellung des Exzenters möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement für eine kontinuierliche Anzeige der Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung ausgebildet sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Anzeige der Winkelstellung des Exzenters jedoch auch kontinuierlich erfolgen, um Zwischenwerte der Exzenterstellung und damit der Pleuelstangenlänge zu erfassen. Prinzipiell ist es auch möglich, das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine kontinuierlich zu ändern, was eine entsprechende Erfassung der aktuellen Pleuelstangenlänge auch mit den Zwischenwerten zwischen den Endlagen des Pleuels bedingt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement als Lasche, insbesondere als von dem Exzenterhebel zum Hublagerauge wegweisende Lasche ausgebildet sein. Eine Lasche kann beispielsweise auf einfache Weise am Exzenterhebel angeordnet sein. Damit ist es möglich, das Positionsgeberelement kostengünstig und für den robusten Betrieb im Kurbelgehäuse geeignet auszuführen. Die Position eines solchen mechanischen Elements ist auf einfache und zuverlässige Weise zu detektieren, sodass die Positionserfassung sicher gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement als gestanzte oder geprägte Blechbiegelasche ausgebildet sein. Besonders günstig kann das Positionsgeberelement als Blechbiegelasche ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, das Positionsgeberelement in den Exzenterhebel zu integrieren, wenn dieser auch als Blechbiegeteil ausgeführt ist. Damit ist eine besonders kostengünstige und robuste Ausführung des Positionsgeberelements gegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement als Rastkontur, insbesondere als in einer Längserstreckung zwischen Stützstangenlagern des Exzenterhebels angeordnete Rastkontur ausgebildet sein. Eine alternative Ausführungsform stellt eine Rastkontur als Positionsgeberelement dar, die insbesondere für eine kontinuierliche Erfassung der Winkelstellung geeignet ist. Eine solche Rastkontur mit einzelnen Zähnen kann beispielsweise an einem Rand des Exzenterhebels angeordnet sein und damit eine Änderung der Winkelstellung des Exzenterhebels über einen großen Winkelbereich abdecken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Positionsgeberelement einen Permanentmagneten umfassen. Eine besonders günstige und robuste Möglichkeit, ein Positionsgeberelement zu realisieren, besteht in der Anbringung eines Permanentmagneten an dem Exzenter. Damit ist eine berührungslose Erfassung der Winkelstellung des Exzenters, welche kostengünstig und zuverlässig ausgeführt werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Pleuelanordnung mit einem Pleuel vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist als Positionssensor zur Erfassung einer Winkelposition des Positionsgeberelements ein berührungsloser Sensor, insbesondere wenigstens ein von einem Hall-Sensor, induktiver Sensor, optischer Sensor angeordnet, wobei das Positionsgeberelement während dem Betätigen der Exzenter-Verstelleinrichtung zumindest teilweise in einem Erfassungsbereich des Positionssensors angeordnet ist. Über solche berührungslosen Sensoren kann sowohl eine stufenweise Erfassung der Winkelstellung des Exzenters, beispielsweise auch nur die Erfassung von Endlagen des Exzenters, als auch eine kontinuierliche Erfassung möglich. Die Sensoren können im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sein, da sie in genügend robuster Ausführung zur Verfügung stehen. Über das Positionsgeberelement ist so eine Erfassung der Pleuelstangenlänge und damit des eingestellten Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine möglich. Damit können die gesetzlichen Anforderungen der Onboard Diagnose (OBD) erfüllt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem Pleuel vorgeschlagen. Dabei kann vorteilhaft ein Pleuel wie vorstehend beschrieben mit einem Positionsgeberelement verwendet werden, um auf günstige Weise eine Exzenter-Verstelleinrichtung zu realisieren, und dadurch einen vorteilhaften Verbrennungsprozess und damit Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umzusetzen. Über das Positionsgeberelement ist eine Erfassung der Pleuelstangenlänge und damit des eingestellten Verdichtungsverhältnisses möglich. Damit können die gesetzlichen Anforderungen der Onboard Diagnose (OBD) erfüllt 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 erfindungsgemäßen Pleuel mit zwei erfindungsgemäßen Kugellagern in Seitenansicht mit der eingezeichneten Schnittebene A-A;
- 2 den erfindungsgemäßen Pleuel gemäß 1 in Vorderansicht;
- 3 den Pleuel gemäß 1 im Längsschnitt der Schnittebene A-A;
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt einer Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels mit einem Positionsgeberelement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt einer Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels mit einem Positionsgeberelement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche als Abstand der Mittelachse eines Hublagerauges 12 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 Umschaltventils 5 verstellbar.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massenkräften und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors 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 über Zylinderrollen 46, 47 verbunden sind.
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Der Pleuel 1 weist das Hublagerauge 12 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 16, 17 von dem Hublagerauge 12 aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile 18, 19 beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 14, 15 zurück in die Zuläufe 16, 17, ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 14, 15.
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Die Hydraulikkammern 14, 15 sind weiter über nicht dargestellte Abläufe mit dem Umschaltventil 5 verbunden, welches als Hydraulikventil oder als mechanisches Ventil ausgebildet sein kann und über eine Ablaufleitung 22 mit dem Hublagerauge 12 verbunden ist.
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Wie beispielsweise aus 3 ersichtlich ist, weist der Pleuel 1 einen Pleuelkörper 20 und einen daran befestigten Pleueldeckel 21 auf.
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Auf einem Umfang des Hublagerauges 12 ist im Bereich des Pleuelkörpers 20 eine Nut 23 vorgesehen, in welche die Zuläufe 16, 17 sowie die Ablaufleitung 22 münden. Dadurch, dass die Nut 23 nur auf einem Teil des Umfangs des Hublagerauges 12 angeordnet ist, wird auch die Tragfähigkeit des Lagers in dem Hublagerauge 12 möglichst wenig beeinträchtigt.
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Der Aufbau des beschriebenen Pleuels 1 ist nur beispielhaft dargestellt und die Exzenterhebelverbindung kann auch in anderen Ausführungsvarianten eines Pleuels mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung Anwendung finden. So ist es beispielsweise möglich, das Umschaltventil 5 im Bereich des Pleueldeckels 21 anzuordnen. Ferner können die beschriebenen Rückschlagventile 18, 19 im Umschaltventil 5 integriert vorgesehen sein. Auch die hydraulische Versorgung der Hydraulikkammern 14, 15 kann von der beschriebenen Ausführung abweichen.
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Bei der in 2 dargestellten Draufsicht auf den Pleuel 1 ist ein Positionsgeberelement 24 ersichtlich, welches an dem Exzenterhebel 3 angeordnet ist und eine Winkelstellung des Exzenterhebels anzeigen kann.
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4 zeigt dazu einen vergrößerten Ausschnitt der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 eines Pleuels 1 mit einem Positionsgeberelement 24 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Pleuel 1 umfasst die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung der effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 einen mit einem Exzenterhebel 3 zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter 4 aufweist, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 weist zwei Hydraulikkammern 14, 15 mit jeweils einem Kolben 6, 7 aufweist, der in einer Zylinderbohrung 8, 9 verschiebbar geführt und mit einer Stützstange 10, 11 verbunden ist, welche am anderen Ende mit dem Exzenterhebel 3 verbunden ist. Wenigstens zwei Schaltstellungen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung der Pleuelstangenlänge sind vorgesehen. An der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist ein Positionsgeberelement 24 zur Erfassung der Schaltstellung der Verstelleinrichtung 2 angeordnet. Das Positionsgeberelement 24 ist an dem Exzenterhebel 3 angeordnet und zeigt eine Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 an. Das Positionsgeberelement 24 ist als von dem Exzenterhebel 3 zum Hublagerauge 12 wegweisende Lasche ausgebildet und integraler Bestandteil des Exzenterhebels 3. Das Positionsgeberelement 24 kann wie der Exzenterhebel 3 als gestanztes oder geprägtes Blechbiegeteil ausgebildet sein. Das Positionsgeberelement 24 ist so für eine stufenweise Anzeige der Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ausgebildet. Beispielsweise kann es so zuverlässig die Endlagen der Schaltstellungen des Exzenters 4 anzeigen.
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In einer anderen Ausführungsform könnte das Positionsgeberelement 24 auch an einer Stützstange 10, 11 angeordnet sein. Das Positionsgeberelement 24 kann auch in einer anderen Ausführungsform einen Permanentmagneten umfassen, um damit die Winkelstellung des Exzenterhebels 3 anzuzeigen.
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Als Positionssensor zur Erfassung der Winkelposition des Positionsgeberelements 24 kann ein berührungsloser Sensor, insbesondere wenigstens ein von einem Hall-Sensor, induktiver Sensor, optischer Sensor angeordnet sein, wobei das Positionsgeberelement 24 während dem Betätigen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zumindest teilweise in einem Erfassungsbereich des Positionssensors angeordnet ist. Der Positionsgeber kann als Teil 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Exzenter-Verstelleinrichtung 2 eines Pleuels 1 mit einem Positionsgeberelement 26 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Positionsgeberelement 26 ist für eine kontinuierliche Anzeige der Winkelstellung der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ausgebildet und ist als in einer Längserstreckung zwischen den Stützstangenlagern 43, 44 des Exzenterhebels 3 angeordnete Rastkontur angeordnet. Die Rastkontur 26 mit ihrer Verzahnung kann beispielsweise von einem induktiven Sensor oder einem optischen Sensor zuverlässig erfasst werden, um so die Winkelstellung des Exzenterhebels 3 kontinuierlich anzuzeigen. Da ein solches Positionsgeberelement 26 auf einfache Weise auf dem Exzenterhebel 3 anzubringen ist, stellt die Anordnung eine sehr kostengünstige und zugleich robuste Lösung für die Erfassung der Pleuelstangenlänge des Pleuels 1 und damit des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine dar.
