-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis.
-
Verbrennungskraftmaschinen mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis sind bspw. aus
WO 2014/019683 A1 bekannt. Bei der dort offenbarten Vorrichtung wird ein Exzenter verwendet, um abhängig von den gegebenen Verbrennungsbedingungen ein optimiertes Verdichtungsverhältnis einzustellen. Bei dieser Vorrichtung kommen zwei Hydraulikzylinder, die auch als Stützzylinder bezeichnet werden, zum Einsatz, mit denen der Exzenter(-ring) relativ zum Kopf des Pleuels verdreht werden kann, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis verändert.
-
Bei Motoren mit einem großen Hub-/Bohrungsverhältnis (s/D ≥ 1,3) benötigen die Stützzylinder einen relativ großen Bauraum, so dass für das entsprechende Pleuel der Platz im Zylinder des Motors recht eng wird. Auch wird der Platz bei einem hohen Hubvolumen für das Pleuel dadurch eng, da es nicht nur eine Hub-, sondern auch eine Schwenkbewegung vollzieht.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses bereitzustellen. Besonders wird eine platzsparende Bauform gefordert, so dass hohe Hub-/Bohrungsverhältnisse, sowie Kolbenbolzen- zu Bohrungsverhältnisse realisiert werden können. Ferner soll das Gesamtgewicht der Vorrichtung zum Umschalten des Verdichtungsverhältnisses möglichst niedrig sein. Diese Aufgabe wird mit dem Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Ein Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses (VCR) mit einem Pleuelkopf und einem Pleuelbolzen, der mit einem Exzenter relativ zum Pleuelkopf gelagert ist. Und der Pleuelkopf oder der Pleuelbolzen umfasst zumindest eine Ölkammer und der Exzenter weist einen in die Ölkammer reichenden Vorsprung auf, so dass ein Öldruck in der Ölkammer eine Kraft auf den Vorsprung zur Veränderung der Exzenterstellung des Exzenters ausübt. Die Ölkammer wird u.a. durch eine radiale Oberfläche des Exzenters begrenzt. Der Vorsprung ist insbesondere radial, bzw. hat einen radialen Anteil seiner Ausrichtung. Der Exzenter ist insbesondere ringförmig mit runden, nicht koaxialen äußeren und inneren Mantelflächen. Der Vorsprung ist insbesondere einstückig Teil des Exzenters oder steif mit ihm verbunden. Der Pleuelbolzen kann auch als ein Abschnitt der Kurbelwelle verstanden werden. Die Ölkammer kann wie ein gebogener Hydraulikzylinder gesehen werden, der um den Exzenter gelegt ist und in dem der Vorsprung aufgenommen ist. Hierdurch werden keine herkömmlichen Hydraulikzylinder mehr benötigt. Zudem kann mit einer derartigen Ölkammer eine Schwenkbewegung des Exzenters in beide Richtungen erzielt werden. Dies spart Bauraum. Wenn zudem mehrere Ölkammern verwendet werden, können sie zur Erzielung des gleichen Einstelldrehmoments entsprechend kleiner ausgestaltet werden. Zudem haben mehrere Ölkammern den Vorteil einer geringeren Verkantungsgefahr beim Erzeugen der Schwenkkräfte. Die Vorsprünge können alternativ radial nach innen gerichtet sein, so dass die Ölkammer(n) in diesem Fall am Pleuelbolzen angeordnet ist/sind. Es wird zudem als äquivalent angesehen, wenn der Exzenter eine Ölkammer umfasst und der Vorsprung an dem jeweils anderen Funktionsteil ist. In anderen Worten: Es kann die Ölkammer einen definierten Bewegungsbereich für den Vorsprung umfassen, an deren Enden jeweils mindestens ein Ölein- und -auslass angeordnet ist. Hierdurch wird eine doppelt wirkende Vorrichtung bereitgestellt, die platzsparend ist. Bevorzugt kann der Bewegungsbereich durch Anschläge beidseitig begrenzt sein.
-
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Pleuelkopf und dem Exzenter eine Schmierstoffversorgungskammer vorgesehen ist und der Exzenter einen der Schmierstoffversorgungskammer zugeordneten Durchbruch umfasst. Bevorzugt wird so unabhängig vom eingestellten Exzenterwinkel stets eine fluidale Verbindung von einem Versorgungskanal des Pleuels zu einem Versorgungskanal des Pleuelbolzens hergestellt. Es kann eine Schmierstoffversorgungskammer vorgesehen sein, deren umlaufende Erstreckung im Wesentlichen dem Verstellwinkelbereich der Veränderung der Exzenterstellung entspricht und über die in jeder Stellung des Exzenters eine fluidale Verbindung von dem Pleuelkopf zu dem Pleuelbolzen besteht. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass Ausführungsformen gemeint sind, bei denen keine strukturellen Merkmale vorgesehen sind, die es verhindern oder erschweren, die Winkelbereiche identisch auszuführen. Und/oder die Winkelbereiche können um bis zu ca. +/-10° voneinander abweichen. Die umlaufende Erstreckung beschreibt einen Winkelbereich um den Mittelpunkt des Exzenters.
-
Insbesondere ist eine bzw. ist die Schmierstoffversorgungskammer in einer Ebene vorgesehen, in der auch die Ölkammer vorgesehen ist. So kann sich die Ölkammer über die gesamte Breite des Pleuels (also in Axialrichtung der Pleuellager) erstrecken und hierdurch hohe Kräfte bewirken. Alternativ kann eine Schmierstoffversorgungskammer in einer Ebene vorgesehen sein, in der die Ölkammer sich nicht befindet. Insbesondere dann kann die Schmierstoffversorgungskammer bspw. als eine (teil-)umlaufende Nut ausgestaltet sein. In diesem Fall wird die Übertragung von dem Schmierstoff von dem Pleuel auf den Kolben lateral versetzt in Längsrichtung des Kolbenbolzens durchgeführt. Hierdurch kann man mehr Ölkammern zur Drehmomentübertragung bereitstellen.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Pleuelkopf zumindest zwei jeweils einen Vorsprung beinhaltende Ölkammern. Bevorzugt kann der Pleuelkopf exakt zwei jeweils den Vorsprung beinhaltende Ölkammern umfassen. Je mehr dieser Ölkammern verwendet werden, desto besser kann das Drehmoment auf den Exzenter übertragen werden, wobei Platzbegrenzungen die Anzahl der Ölkammern und/oder deren Winkelbereich begrenzen.
-
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Pleuelkopf eine Verriegelung umfasst, die bevorzugt hydraulisch oder mechanisch ansteuerbar ist und in einen Zustand der Verriegelung bringbar ist, der eine Relativbewegung von dem Pleuelkopf und dem Exzenter verhindert oder eine Relativbewegung von dem Exzenter und dem Pleuelbolzen verhindert. Die Verriegelung ist bevorzugt formschlüssig. Durch die Verriegelung kann sichergestellt werden, dass der Exzenter auch bei Druckschwankungen im Exzenterumschaltsystem stets in seiner Sollposition verbleibt.
-
Insbesondere umfassen die Ölkammer oder Ölkammern zur Realisation eines ersten Verdichtungsverhältnisses an gegenüberliegenden Enden einen Öleinlass bzw. einen Ölauslass, deren Funktionen zur Realisation eines zweiten Verdichtungsverhältnisses umtauschbar sind. Dadurch wird eine Doppelwirkung des Hydrauliksystems geschaffen.
-
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Exzenter in einem Winkelbereich von mehr als 40°, bevorzugt mindestens 90° relativ zu dem Pleuelkopf verstellbar ist. Auch kann dieser Winkelbereich kleiner als 160° sein. Ein großer Winkelbereich ist für die Realisation der Exzenterwirkung hilfreich.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Pleuels,
- 2 eine Explosionsansicht eines oberen Teils des Pleuels der 1,
- 3 einen mittigen Schnitt durch den Kopf des Pleuels,
- 4 einen mittigen Schnitt durch den Kopf des Pleuels einer alternativen Ausführungsform,
- 5 das Detail A der 4,
- 6 einen Längsschnitt durch den Pleuelbolzen und
- 7 den Schnitt A-A der 6.
-
1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Pleuel für eine VCR (=variable compression ratio) Umschaltung, bei der der Motor unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse haben kann. Rechts ist ein Lagerbereich des Pleuels gezeigt, mit dem es an der Kurbelwelle gelagert wird. Und ein Umschaltbetätiger 31 ist erkennbar. Im Motorgehäuse sind Leitbleche angebracht, die in Längsrichtung der Kurbelwelle verschiebbar sind und wenn diese Leitbleche betätigt werden, so wird der Umschaltbetätiger 31 verschoben. Über die Kurbelwelle wird der Pleuel mit Schmieröl versorgt, welches zunächst zur Schmierung der Lagerungen des Pleuels und des Kolbens und zu dessen Kühlung dient. Von diesem Öl wird ein Anteil zu dem Umschaltbetätiger 31 geleitet, der ein Hydraulikventil (nicht gezeigt) umfasst und abhängig vom Schaltzustand das Schmieröl in entsprechende Kanäle des Pleuels leitet, was im Endeffekt die Umschaltung des Verdichtungsverhältnisses bewirkt.
-
In 2 und 3 ist ein Exzenter(-ring) 40 gut sichtbar, der im Pleuelkopf 20 drehbar gelagert ist und der seinerseits einen Pleuelbolzen 50 (siehe 6) lagert, der seinerseits einen Kolben 70 lagert. Wenn der Exzenter 40 in der Zeichenebene gemäß 3 gedreht wird, so verlagert sich die Position des Pleuelbolzens 50 in der Längenrichtung des Pleuels 20.
-
Als Antrieb für den Exzenter 40 ist er an zwei radial außenliegenden Stellen mit einem Vorsprung 42 vorgesehen, die in Ölkammern 25 reichen. Die Ölkammern 25 sind ringbogenabschnittförmig im Pleuelkopf 20 angeordnet und an ihren Enden jeweils mit einem Öleinlass 16 und einem Ölauslass 18 versehen. Der Querschnitt der Ölkammern 25 wird durch den Vorsprung 42 flüssigkeitsgedichtet, wofür Dichtelemente 44 zum Einsatz kommen. So wird Öl, das beim Öleinlass 16 eingespritzt wird, einen Überdruck in diesem Bereich erzeugen, was eine Verdrehung des Exzenters 40 bewirkt. Die Drehbewegung des Exzenters erfolgt auch unterstützt durch die externen Kräfte im Motor bedingt durch die Kräfte, die durch die Verbrennung entstehen, wie auch durch die Trägheitskräfte (Massenkräfte). Überschüssiges Öl wird durch die Ölauslasse 18 abgelassen. Durch eine Umkehr der Fließrichtungen kann der Exzenter 40 in die andere Richtung geschwenkt werden. An den Endpunkten eines sich so ergebenden Drehbereichs mit dem Winkelbereich α ist jeweils ein Anschlag 22 vorgesehen. Der Ölfluss wird, wie bereits erläutert, durch den Umschaltbetätiger 31 initiiert. Die dafür benötigte Vorrichtung ist in unteren Teil des Pleuels 10, also kurbelwellenseitig, angeordnet. In 7 ist beispielshaft eine entsprechende Hydraulikführung innerhalb des Pleuelkopfs 20 gezeigt. Dafür werden Bohrungen verwendet, die pleuelaußenseitig verschlossen sind, und dies wird durch einen mit einer Abdeckung 29 verschlossenen Kanal ergänzt. Über diese Mittel wird das Öl zu den Übergabepunkten 16 in die Ölkammern 25 geleitet, die jeweils als Öleinlässe 16 oder Ölauslässe agieren können. Eine entsprechende Hydraulikführung ist für den Übergabepunkt 18 vorgesehen. Es wird bei bevorzugten Ausführungsformen zumindest eine Ölkammer 25 benötigt, wobei bevorzugt auch mehr als 2, nämlich bspw. 3 oder mehr Ölkammern verwendet werden können.
-
In 3 und 6 ist ein Ölversorgungskanal 27 gezeigt, der zur Versorgung mit Öl für Schmier- und Kühlaufgaben dient und in Längsrichtung im Pleuel 10 ausgerichtet ist und eine Schmierstoffversorgungskammer 26 mündet. Der Schmierstoffversorgungskammer 26 ist ein Durchbruch 46 des Exzenters 40 zugeordnet. Und die Schmierstoffversorgungskammer 26 hat eine umlaufende Erstreckung, die dem Winkelbereich α, der Exzentereinstellbarkeit entspricht und ist so angeordnet, dass bei jeder Winkelstellung des Exzenters 40 Öl in den Exzenter 40, nämlich einen dort angeordneten Versorgungskanal 57 (siehe 6) fließen kann. Über weitere Bolzenkanäle 52 wird das Öl an den Kolben 70 geleitet und dort erfüllt das Öl seine Schmier- und Kühlaufgaben. Die Fließrichtung ist in 6 mit kleinen Pfeilen angezeigt.
-
4 und deren Detail der 5 zeigen eine optionale Verriegelungsvorrichtung 62, 64, die durch einen der Ölströme, die durch den Umschaltbetätiger 13 initiiert werden, betätigt werden kann. Die Verriegelungsvorrichtung 62, 64 umfasst einen (kleinen) Rastkolben 62, der in dem Pleuelkopf 20 gelagert ist und ein Ende umfasst, das in einer Aufnahme des Exzenters 40 aufgenommen werden kann. Eine Feder 64 drückt den Rastkolben 62 in diese Richtung und eine Hydraulikkammer des Rastkolbens 62 ist so angeordnet, dass entsprechender Öldruck die Federkraft der Feder 64 überwinden und so den Rastkolben 62 aus seiner Aufnahme herausschieben kann. Durch diesen Aufbau kann sichergestellt werden, dass auch bei gewissen Druckschwankungen innerhalb des Ölversorgungssystems für die Ölein- und -auslässe 16 und 18 der Exzenter 40 stets in seiner Sollposition verbleibt. Auch existiert bei jeder Kurbelwellenumdrehung eine Relativbewegung zwischen dem Kolben 70 und dem Pleuel 10 und über die Verriegelungsvorrichtung 62, 64 wird die Lagerstelle dieser Relativbewegung definiert.
-
Während die Erfindung vorstehend in Bezug auf eine Anordnung am Kopf des Pleuels erläutert wurde, so ist sie entsprechend am Fuß des Pleuels, also an der Stelle, die an der Kurbelwelle gelagert ist, verwendbar und diese Lösung wird als äquivalent angesehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Pleuel
- 16, 18
- Öleinlass und Ölauslass
- 20
- Pleuelkopf
- 21
- Deckel und Verschraubung oder allgemein „Verschlusssystem“
- 22
- Anschlag
- 25
- Ölkammer
- 26
- Schmierstoffversorgungskammer
- 27
- Ölversorgungskanal
- 29
- Abdeckung
- 30
- Pleuelfuß
- 31
- Umschaltbetätiger
- 40
- Exzenter
- 42
- Vorsprung
- 44
- Dichtelement
- 46
- Durchbruch
- 50
- Pleuelbolzen
- 52
- Bolzenkanäle
- 57
- Versorgungskanal
- 60
- Verriegelung
- 62
- Rastkolben, Kolben
- 64
- Feder
- 70
- Kolben
- α
- Winkelbereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
