DE102019119854A1

DE102019119854A1 - Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung

Info

Publication number: DE102019119854A1
Application number: DE102019119854.2A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schulze; Christopher Schmitt
Original assignee: Eco Holding 1 GmbH
Current assignee: Eco Holding 1 GmbH
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN111271177A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pleuel (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, umfassend eine Exzenter-Verstelleinrichtung (2) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung (2) einen mit einem Exzenterhebel (3) zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter (4) aufweist, in welchem ein Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufgenommen ist, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung (2) 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) gelenkig verbunden ist, wobei der Kolben (6, 7) an einer Außenseite (31) wenigstens eine umlaufende Ausnehmung (41, 51, 62) aufweist, in welcher ein Dichtelement angeordnet ist.Erfindungsgemäß ist das Dichtelement in radialer Richtung mindestens zweigeteilt.Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Pleuel (1).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Pleuel zur Verstellung einer effektiven Pleuellänge, und eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit einem solchen Pleuel.
Stand der Technik
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, welche mit Hilfe von hydraulischen Umschaltventilen eine Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels betätigen.
Ein gattungsgemäßer Pleuel ist beispielsweise aus der DE 10 2005 055 199 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung mit Hydraulikkolben zu schaffen, dessen Dichtsystem unempfindlicher gegen Druckstöße ist und eine geringe Leckage der Hydraulikkolben aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Pleuel anzugeben.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter auf, in welchem 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. Dabei weist der Kolben an einer Außenseite wenigstens eine umlaufende Ausnehmung auf, in welcher ein Dichtelement angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist das Dichtelement in radialer Richtung mindestens zweigeteilt.
Vorteilhaft können Dichteigenschaften des Dichtelements günstig angepasst werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Dichtringe in radialer Richtung aufeinander angeordnet werden. Die radial aneinandergrenzenden Teile des Dichtelements können aus gleichen Materialien bestehen. Dabei können sich beispielsweise die Teile durch entsprechende Formgebung unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert werden, insbesondere mit unterschiedlicher Festigkeit oder Elastizität. Die Eigenschaften des Dichtelements können durch eine geeignete Kombination der Materialien günstig angepasst werden.
Die üblicherweise bei Kolben von Exzenter-Verstelleinrichtungen verwendeten Dichtelemente in Form von Dichtringen sind im Betrieb hohen Belastungen durch den Hydraulikdruck und auftretende Kavitation der Hydraulikflüssigkeit ausgesetzt, die unter Umständen auf lange Sicht zum Ausfall der Dichtelemente führen können. Ein Dichtelement ist allerdings für den Betrieb der Exzenter-Verstelleinrichtung erforderlich, da das Spiel zwischen Kolben und Hydraulikkammer relativ groß gewählt werden muss, damit es bei starker Verformung der Hydraulikkammer nicht zu einem Klemmen des Kolbens in der Hydraulikkammer kommt. Dadurch wäre die Leckage ohne Dichtelement allerdings viel zu groß. Außerdem soll das Luftansaugen beim Umschalten der Exzenter-Verstelleinrichtung auf der drucklosen Seite der Exzenter-Verstellung verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann als Dichtelement ein Elastomerdichtring in der Ausnehmung vorgesehen sein, auf welchem auf einer radialen Außenseite wenigstens ein Metallring und/oder wenigstens ein Kunststoffring angeordnet ist.
Der Elastomerdichtring sowie ein Kunststoffring können bei der Montage mittels eines Konus auf den Kolben geschoben werden. Auch ein Metallring kann so auf den Kolben aufgeschoben werden, wenn er geeignet geschlitzt ist, um sich aufweiten zu können oder indem der Metallring selbst aufgeweitet wird. Im Anschluss können die Dichtringe mit Hilfe eines Kalibrierwerkzeuges wieder auf den Ursprungsdurchmesser gebracht werden. Der Metallring, bzw. der Kunststoffring wird dabei auf der radialen Außenseite des Elastomerdichtrings angeordnet. Der Kunststoffring kann beispielsweise ein PTFE (Polytetrafluorethylen)-Ring sein. Der Metallring kann beispielsweise ein Stahlring sein.
Der Elastomerdichtring ist so ausgelegt, dass er die komplette Nutbreite der Ausnehmung abdeckt. Auf diesen Elastomerdichtring wird beispielsweise ein PTFE-Dichtring als geschlossene Bauform und ein Metallring mit offenem Stoß montiert, wobei die Ringe so angeordnet sind, dass der Metallring auf der druckzugewandten Seite des Kolben, also auf der Seite des Kolbenbodens, montiert ist und der PTFE-Dichtring direkt dahinter. Wahlweise können auch zwei Metallringe direkt hintereinander angebracht werden. Zweckmäßig kann dabei die Einbaulage der beiden Stöße um 180° versetzt sein.
Das Elastomer hat mehrere Funktionen. Es soll die Nut füllen und somit die Leckagepfade verringern. Weiter kann das Elastomer so ausgelegt sein, dass es als Vorspannelement für den Metallring, bzw. den PTFE-Dichtring dienen kann. Auf Grund der Vorspannung in der Einbaulage, kann ein Verdrehen des Metallrings verhindert werden. Außerdem kann so die Abdichtfunktion durch dichtes Anliegen an einer Innenwand der Zylinderbohrung der Hydraulikkammer verbessert werden
Vorteilhaft kann das Dichtsystem des Hydraulikkolbens auf diese Weise unempfindlicher gegenüber großen Druckstößen im Betrieb des Pleuels mit der Exzenter-Verstelleinrichtung gestaltet werden. Der Metallring kann den Kunststoffring gegen Beschädigungen durch auftretende Kavitation in der Hydraulikflüssigkeit schützen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können auf der radialen Außenseite des Elastomerdichtrings ein Metallring und ein Kunststoffring in Längsachse nebeneinander angeordnet sein. Der Metallring schützt den Kunststoffring vor Druckstößen beim Betrieb des Kolbens in der Exzenter-Verstelleinrichtung des Pleuels an der Brennkraftmaschine.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann der Metallring von der Seite eines Kolbenbodens des Kolbens her vor dem Kunststoffring angeordnet sein. Dadurch kann der Metallring günstig die auftretenden Druckstöße in der Hydraulikflüssigkeit beim Betrieb des Pleuels abfangen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können auf dem Elastomerdichtring ein erster Metallring und ein zweiter Metallring in der Längsachse des Kolbens nebeneinander angeordnet sein. Der zweite Metallring als Dichtring kann die Abdichtung des Kolbens in der Zylinderbohrung besonders günstig bei hoher Lebensdauer der Exzenter-Verstelleinrichtung gewährleisten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann eine zweite umlaufende Ausnehmung an der Außenseite des Kolbens entlang der Längsachse des Kolbens beabstandet vorgesehen sein, in welcher als Dichtelement ein Elastomerdichtring vorgesehen ist, auf welchem radial außen wenigstens ein Metallring oder ein Kunststoffring angeordnet ist. Dabei kann der Metallring in der ersten Ausnehmung eine Führungsfunktion des Kolbens in der Zylinderbohrung übernehmen, während der Metallring oder Kunststoffring in der zweiten Ausnehmung die eigentliche Abdichtfunktion übernimmt. Der Metallring oder Kunststoffring kann dabei durch den Elastomerdichtring auf geeignete Weise vorgespannt werden, um eine besonders günstige Abdichtwirkung des Kolbens zu erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die zweite Ausnehmung von der Seite des Kolbenbodens her nach der ersten Ausnehmung angeordnet sein. Besonders im Fall eines Kunststoffrings kann so der Metallring in der ersten Ausnehmung, welche näher am Kolbenboden angeordnet ist, eventuell auftretende Druckstöße im Betrieb abfangen und so die Lebensdauer des eigentlichen Dichtelements auf vorteilhafte Weise verlängern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann als Dichtelement ein Elastomerdichtring in der wenigstens einen umlaufenden Ausnehmung vorgesehen sein, auf welchem auf der radialen Außenseite wenigstens ein Kunststoffring angeordnet ist. Weiter kann eine zweite umlaufende Ausnehmung an der Außenseite des Kolbens vorgesehen sein, in welcher als Dichtelement wenigstens ein Metallring angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Kunststoffring durch den Elastomerdichtring vorgespannt montiert sein. Der Metallring kann, insbesondere, wenn er näher am Kolbenboden angeordnet ist, als der Kunststoffring, die eventuell auftretenden Druckspitzen abfangen und so die Lebensdauer des Kunststoffrings verlängern. Insgesamt lässt sich so eine zuverlässige Abdichtwirkung des Dichtsystems erzielen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die wenigstens eine umlaufende Ausnehmung und die zweite umlaufende Ausnehmung in der Längsachse des Kolbens axial unmittelbar angrenzend angeordnet sein. Insbesondere können die erste und die zweite Ausnehmung als eine gemeinsame Ausnehmung ausgebildet sein. Zweckmäßig können der vorgespannte Kunststoffring und der Metallring axial unmittelbar aneinander angrenzend auf der Außenseite des Kolbens angeordnet sein. Insbesondere kann der Metallring dabei näher am Kolbenboden angeordnet sein, um den Kunststoffring dadurch vor Druckspitzen im Betrieb zu schützen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die erste Ausnehmung radial mit einer größeren Tiefe als die zweite Ausnehmung ausgebildet sein. Insbesondere können die erste und die zweite Ausnehmung als eine gemeinsame radial abgestufte Ausnehmung ausgebildet sein. Da der zur Vorspannung des Kunststoffrings eingesetzte Elastomerdichtring und der darauf angeordnete Kunststoffring zusammen eine größere Dicke aufweisen als der Metallring, ist es zweckmäßig, die zweite Ausnehmung mit dem Metallring mit einer geringeren Tiefe auszubilden. Werden beide Ausnehmungen als eine gemeinsame Ausnehmung ausgebildet, so ist eine Ausnehmung mit abgestufter Tiefe günstig, um Dichtringe mit unterschiedlicher Dicke unterzubringen. Dadurch kann der Elastomerdichtring als Vorspannelement geeignet in seiner Position gehalten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die zweite Ausnehmung von der Seite des Kolbenbodens des Kolbens her vor der ersten Ausnehmung angeordnet sein. Wenn die zweite Ausnehmung mit dem Metallring näher zum Kolbenboden angeordnet ist, kann der Metallring vorteilhaft den Kunststoffring vor eventuell auftretenden Druckspitzen der Hydraulikflüssigkeit schützen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann der Elastomerdichtring zur Vorspannung des radial außen darauf angeordneten Metallrings und/oder des Kunststoffrings ausgebildet sein. Der Elastomerdichtring kann mit seiner größeren Elastizität den Metallring und/oder den Kunststoffring gegen eine Innenwand der Zylinderbohrung vorspannen, sodass eine effektive Abdichtwirkung des Metallrings und/oder des Kunststoffrings erreicht wird. Damit kann eine mögliche Leckage des Kolbens in der Zylinderbohrung reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann der Metallring als Stahlring, und/oder der Kunststoffring als PTFE-Ring ausgebildet sein. Ein Stahlring weist sowohl gute Verarbeitbarkeit als auch ein robustes Betriebsverhalten zusammen mit einer langen Lebensdauer auf. PTFE-Ringe sind häufig eingesetzte Dichtelemente, da sie eine Abdichtwirkung gepaart mit einer hohen Formstabilität und damit einer langen Lebensdauer aufweisen können. Auch haben PTFE-Ringe gute Gleiteigenschaften, sodass eine geringe Reibwirkung durch das Dichtelement zu erwarten ist. Auf kann PTFE bei höheren Temperaturen eingesetzt werden und ist gegenüber vielen Chemikalien, wie auch gegen Motoröl weitgehend resistent.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann der Metallring quer zur Umfangsrichtung des Metallrings auf seinem Umfang mit einem Schlitz unterbrochen vorgesehen sein. Auf diese Weise lassen sich Metallringe durch Aufschieben mittels einer Konusform auf dem Kolben in der Ausnehmung günstig montieren. Auch kann der Metallring dadurch mit einem leicht größeren Durchmesser als der Außenumfang des Kolbens vorgespannt montieren, sodass er sich an eine Innenwand der Zylinderbohrung anschmiegen kann. Dadurch lässt sich eine gute Dichtwirkung des Metallrings erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Schlitze von Metallringen, welche gemeinsam auf einem Kolben angeordnet sind, in einer Umfangsrichtung versetzt angeordnet sein. Insbesondere können die Schlitze um 180° versetzt angeordnet sein. Durch die versetzte Anordnung kann die Leckage des Kolbens günstig reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Metallringe zur Vorspannung gegen eine innere Wand der Zylinderbohrung ausgebildet sein. Die Metallringe können dadurch mit einem leicht größeren Durchmesser als der Außenumfang des Kolbens vorgespannt montiert werden, sodass sie sich an eine Innenwand der Zylinderbohrung anschmiegen können. Dadurch lässt sich eine gute Dichtwirkung der Metallringe erreichen. Insgesamt kann so die Leckage des Kolbens in der Zylinderbohrung geeignet reduziert werden.
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 verwendet werden, um auf günstige Weise eine Exzenter-Verstelleinrichtung zu realisieren, und dadurch einen vorteilhaften Verbrennungsprozess und damit Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umzusetzen.
Figurenliste
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.
Es zeigen beispielhaft:

1 ein bekanntes Pleuel im Längsschnitt;
2 einen Kolben eines erfindungsgemäßen Pleuels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt;
3 den Kolben aus 2 in isometrischer Ansicht;
4 eine Anordnung von Dichtelementen nach dem Ausführungsbeispiel in 2 in isometrischer Ansicht;
5 einen Kolben eines erfindungsgemäßen Pleuels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt;
6 eine Anordnung von Dichtelementen nach dem Ausführungsbeispiel in 5 in isometrischer Ansicht;
7 einen Kolben mit Stützstange eines erfindungsgemäßen Pleuels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt; und
8 den Kolben aus 7 in isometrischer Ansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft ein bekanntes 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 einteiligen 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wie ersichtlich ist, weist der Pleuel 1 einen Pleuelkörper 20 und einen daran befestigten Pleueldeckel 21 auf.
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.
Der Aufbau des beschriebenen Pleuels 1 ist nur beispielhaft dargestellt und die erfindungsgemäße 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.
Die Stützstange 10, 11 weist jeweils ein Kugelgelenk 24, 25 auf und umfasst einen an der Stützstange 10, 11 angeordneten Kugelkopf 26, 27, der in einer Kugelkopfaufnahme 38, 39 des Kolbens 6, 7 gelagert ist. Der Kugelkopf 26, 27 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 38, 39 durch Sicherungsmittel gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 38, 39 gesichert. Als Sicherungsmittel sind beispielhaft jeweils zwei Stifte 28 vorgesehen. Andere Sicherungsmittel sind im Rahmen der Erfindung denkbar.
Die Kugelkopfaufnahme 38, 39 umfasst ein gewölbtes Bodenteil, das an die Außenkontur des Kugelkopfs 26, 27 angepasst ist und auf dem der Kugelkopf 26, 27 gleiten kann, um Verkippungen der Stützstange 10, 11 zu ermöglichen.
Um die Leckage zu minimieren, ist jeweils ein Dichtelement 29, 30, welches in einer umlaufenden Ausnehmung auf einer Kolbenaußenseite des Kolbens 6, 7 angeordnet ist, gegen die Zylinderbohrung 8, 9 vorgespannt.
Versuche haben gezeigt, dass die Dichtelemente 29, 30 der Kolben 6, 7 hohen Belastungen durch Druck und Kavitation ausgesetzt sind, die zum Ausfall der Dichtelemente 29, 30 führen können. Eine Dichtung der Kolben 6, 7 ist allerdings unumgänglich, da das Spiel zwischen Kolben 6, 7 und Zylinderbohrung 8, 9 relativ groß gewählt werden muss, dass es bei starker Verformung der Kammer nicht zu einem Kolbenklemmer kommt. Ohne Dichtung wäre die Leckage wiederrum zu groß. Ziel der Erfindung ist es daher, das Dichtsystem unempfindlicher gegenüber großen Druckstößen zu gestalten und gleichzeitig die Leckage zu minimieren.
Die 2 und 3 zeigen einen Kolben 6 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt, bzw. in isometrischer Ansicht.
Der Kolben 6 weist eine umlaufende Ausnehmung 41 an einer Außenseite des Kolbens 6 auf. In der Ausnehmung 41 ist ein Elastomerdichtring 42 angeordnet, welcher die komplette Breite der Ausnehmung 41 abdeckt, bzw. ausfüllt. Auf dem Elastomerdichtring 42 sind auf einer radialen Außenseite ein Metallring bzw. hier ein Stahlring 43 und ein Kunststoff-Ring 44 (z.B. aus PTFE) in der Längsachse L des Kolbens 6 nebeneinander angeordnet. Das in der Ausnehmung 41 angeordnete Dichtelement, welches den Elastomerdichtring 42, den Stahlring 43 sowie den Kunststoffring 44 umfasst, ist somit mehrfach geteilt ausgebildet.
Der Kunststoffring 44, der Elastomerdichtring 42 und der Stahlring 43 können bei der Montage über einen Konus auf den Kolben 6 geschoben werden. Im Anschluss werden die Ringe mit Hilfe eines Kalibrierwerkzeuges wieder auf den Ursprungsdurchmesser kalibriert.
Der Elastomerdichtring 42 sowie der Kunststoff-Ring 44 weisen eine geschlossene Bauform auf. Der Stahlring 43 ist geschlitzt vorgesehen und wird mit offenem Stoß montiert, wobei die Ringe 42, 43, 44 so angeordnet sind, dass der Stahlring 43 auf der druckzugewandten Seite des Kolbens 6, also näher an der Seite des Kolbenbodens 66 als der Kunststoffring 44, montiert ist und der Kunststoff-Ring 44 direkt dahinter. Auf diese Weise kann der Metallring 43 den Kunststoffring 44 vor Druckstößen schützen.
Der Metallring 43 ist quer zur Umfangsrichtung des Metallrings 43 auf seinem Umfang mit einem Schlitz 48 unterbrochen ist. Dadurch lässt sich der Metallring 43 zum einen leichter bei der Montage über den Kolben 6 schieben und außerdem auch leichter vorgespannt gegen eine Innenwand der Zylinderbohrung 8, 9 anlegen.
Alternativ können auch zwei Metallringe 43, 49 in der Längsachse L direkt hintereinander angebracht werden. Die beiden Metallringe 43, 49 sind dann ebenfalls auf ihrem Umfang geschlitzt vorgesehen. Die Metallringe 43, 49 sind so zur Vorspannung gegen die innere Wand der Zylinderbohrung 8, 9 ausgebildet.
Die Schlitze 48 der Metallringe 43, 49, welche gemeinsam auf dem Kolben 6 angeordnet sind, sind in der Umfangsrichtung versetzt, insbesondere um 180° versetzt, angeordnet. Die Einbaulage der beiden Stöße der beiden Metallringe 43, 49 ist insbesondere um 180° versetzt, um die Leckage des Kolbens 6 zu verringern.
Der Elastomerdichtring 42 hat mehrere Funktionen. Er füllt die Ausnehmung 41 aus und verringert somit die Leckagepfade. Gleichzeitig kann er derart ausgelegt werden, dass er als Vorspannelement für den Metall- bzw. den Kunststoff-Ring 43, 44 dienen kann. Auf Grund der Vorspannung in der Einbaulage kann das Verdrehen des Stahlrings 43 oder der Stahlringe 43, 49 verhindert werden.
4 zeigt eine Anordnung von Dichtelementen 42, 43, 44 nach dem Ausführungsbeispiel in 2 in isometrischer Ansicht. Auf der Innenseite ist der Elastomerdichtring 42 angeordnet, auf dem radial außen der Metallring 43 und der Kunststoffring 44 aufgebracht sind. Der Elastomerdichtring 42 ist so bemessen, dass er zur Vorspannung des Metallrings 43 sowie des Kunststoffrings 44 dienen kann. Der Metallring 43 ist auf seinem Umfang quer zum Umfang mit einem Schlitz 48 ausgebildet.
In 5 ist ein Kolben 6 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt dargestellt.
Der Kolben 6 weist im Unterschied zum Kolben 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 zwei getrennte Ausnehmungen 51, 52 auf, in welchen jeweils ein Elastomerdichtring 53, 54 angeordnet ist. Auf diesem ist radial außen jeweils entweder ein geschlitzter Stahlring 55, 56 mit offenem Stoß, also mit einem Schlitz 48, oder ein entsprechender Kunststoff-Ring (z.B. ein PTFE-Ring) montiert. Das in den Ausnehmungen 51, 52 angeordnete Dichtelement, welches den Elastomerdichtring 53, 54, sowie den Stahlring 55.56 umfasst, ist somit zweifach geteilt ausgebildet.
Die zweite umlaufende Ausnehmung 52 ist an der Außenseite 31 des Kolbens 6, 7 entlang der Längsachse L des Kolbens 6 beabstandet vorgesehen.
Die zweite Ausnehmung 52, in welcher möglicherweise ein Kunststoffring 56 angeordnet ist, ist von der Seite des Kolbenbodens 66 her nach der ersten Ausnehmung 51 angeordnet ist. Damit kann ein Metallring 55 in der ersten Ausnehmung 51 eventuell auftretende Druckstöße der Hydraulikflüssigkeit aufnehmen und den Kunststoffring 56 schützen.
6 zeigt dazu die Anordnung von Dichtelementen 53, 54, 55, 56 nach dem Ausführungsbeispiel in 5 in isometrischer Ansicht. Auf der Innenseite sind jeweils die Elastomerdichtringe 53, 54 angeordnet, auf welchen auf der radialen Außenseite der Metallring 55 sowie der weitere Metallring 56 oder ein Kunststoffring 56 aufgeschoben ist. Die beiden Metallringe 55, 56 oder Metallring 55 und Kunststoffring 56 sind jeweils durch die Elastomerdichtringe 53, 54 vorgespannt.
In 7 ist ein Kolben 6 mit Stützstange 10 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt dargestellt, während in 8 der Kolben 6 in isometrischer Ansicht gezeigt ist.
Bei dem Kolben 6 ist als Dichtelement ein Elastomerdichtring 64 in der einen umlaufenden Ausnehmung 62 vorgesehen, auf welchem auf der radialen Außenseite ein Kunststoffring 65, beispielsweise aus PTFE, angeordnet ist. Das in der Ausnehmung 62 angeordnete Dichtelement, welches den Elastomerdichtring 64 sowie den Kunststoffring 65 umfasst, ist somit zweifach geteilt ausgebildet.
Weiter ist eine zweite umlaufende Ausnehmung 61 an der Außenseite 31 des Kolbens 6, 7 vorgesehen, in welcher als Dichtelement ein Metallring 63 angeordnet ist. Der Elastomerdichtring 64 ist wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen zur Vorspannung des radial außen darauf angeordneten Kunststoffrings 65 ausgebildet.
Die erste umlaufende Ausnehmung 62 und die zweite umlaufende Ausnehmung 61 sind dabei in der Längsachse L des Kolbens 6, 7 axial unmittelbar angrenzend angeordnet, sodass die erste und die zweite Ausnehmung 62, 61 als eine gemeinsame Ausnehmung ausgebildet sein können. Die erste Ausnehmung 62 ist radial mit einer größeren Tiefe als die zweite Ausnehmung 61 ausgebildet. Dadurch können die erste und die zweite Ausnehmung 62, 61 als eine gemeinsame radial abgestufte Ausnehmung ausgebildet sein, wie es bei dem Ausführungsbeispiel in 7 dargestellt ist.
Die zweite Ausnehmung 61 mit dem Metallring 63 ist von der Seite des Kolbenbodens 66 des Kolbens 6, 7 her vor der ersten Ausnehmung 62 mit dem Kunststoffring 65 angeordnet ist, damit der Metallring 63 eventuell auftretende Druckstöße der Hydraulikflüssigkeit wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen abfangen kann.
Der Kugelkopf 26 der Stützstange 10, welche zur Verbindung mit dem Exzenterhebel 3 eines Pleuels 1 ein Gelenkteil 40 aufweist, ist in der im Inneren des Kolbens 6 angeordneten Kugelkopfaufnahme 38 gelagert. Die Kugelkopfaufnahme 38 ist dazu als eine Kugelpfannenform ausgebildet, welcher der Außenkontur des Kugelkopfes 26 entspricht, um ein möglichst günstiges Gleitverhalten des Kugelkopfs 26 in der Kugelkopfaufnahme 38 zu gewährleisten. Der Kugelkopf 26 wird bei der Montage der Stützstange 10 an den Kolben 6 durch die Öffnung 36 ins Innere der Kugelkopfaufnahme 38 geführt und ist mit einem Sicherungsmittel 68, beispielsweise ein wenigstens teilweise umlaufender Ring, gegen ein unbeabsichtigtes Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 38 gesichert. Das Sicherungsmittel 68 ist mittels eines Hinterschnittes 67 an einem umlaufenden Rand 69 der Öffnung 36 vorgespannt angeordnet und so seinerseits gegen ein Herausgleiten aus der Öffnung 36 gesichert. Auf diese Weise sind Kolben 6 und Stützstange 10 auch im Betrieb zuverlässig und dauerhaft verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005055199 A1 [0003]

Claims

Pleuel (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, umfassend ein Hublagerauge (12) zur Anbindung des Pleuels (1) an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ein Pleuellagerauge (13) zur Anbindung des Pleuels (1) an einen Zylinderkolben der Brennkraftmaschine, eine Exzenter-Verstelleinrichtung (2) zur Verstellung einer 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 aufgenommen ist, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung (2) 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) gelenkig verbunden ist, wobei der Kolben (6, 7) an einer Außenseite (31) wenigstens eine umlaufende Ausnehmung (41, 51, 62) aufweist, in welcher ein Dichtelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement in radialer Richtung mindestens zweigeteilt ist.
Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtelement ein Elastomerdichtring (42, 53, 64) in der Ausnehmung (41, 51, 62) vorgesehen ist, auf welchem auf einer radialen Außenseite wenigstens ein Metallring (43, 55) und/oder wenigstens ein Kunststoffring (65) angeordnet ist.
Pleuel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der radialen Außenseite des Elastomerdichtrings (42) ein Metallring (43) und ein Kunststoffring (44) in Längsachse (L) nebeneinander angeordnet sind.
Pleuel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (43) von der Seite eines Kolbenbodens (66) des Kolbens (6, 7) her vor dem Kunststoffring (44) angeordnet ist.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Elastomerdichtring (42) ein erster Metallring (43) und ein zweiter Metallring (49) in der Längsachse (L) des Kolbens (6, 7) nebeneinander angeordnet sind.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite umlaufende Ausnehmung (52) an der Außenseite (31) des Kolbens (6, 7) entlang der Längsachse (L) des Kolbens (6, 7) beabstandet vorgesehen ist, in welcher als Dichtelement ein Elastomerdichtring (54) vorgesehen ist, auf welchem radial außen wenigstens ein Metallring (56) oder ein Kunststoffring angeordnet ist.
Pleuel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausnehmung (52) von der Seite des Kolbenbodens (66) her nach der ersten Ausnehmung (51) angeordnet ist.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtelement ein Elastomerdichtring (64) in der wenigstens einen umlaufenden Ausnehmung (62) vorgesehen ist, auf welchem auf der radialen Außenseite wenigstens ein Kunststoffring (65) angeordnet ist, und dass eine zweite umlaufende Ausnehmung (61) an der Außenseite (31) des Kolbens (6, 7) vorgesehen ist, in welcher als Dichtelement wenigstens ein Metallring (63) angeordnet ist.
Pleuel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine umlaufende Ausnehmung (62) und die zweite umlaufende Ausnehmung (61) in der Längsachse (L) des Kolbens (6, 7) axial unmittelbar angrenzend angeordnet sind, insbesondere, dass die erste und die zweite Ausnehmung (62, 61) als eine gemeinsame Ausnehmung ausgebildet sind.
Pleuel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausnehmung (62) radial mit einer größeren Tiefe als die zweite Ausnehmung (61) ausgebildet ist, insbesondere, dass die erste und die zweite Ausnehmung (62, 61) als eine gemeinsame radial abgestufte Ausnehmung ausgebildet sind.
Pleuel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausnehmung (61) von der Seite des Kolbenbodens (66) des Kolbens (6, 7) her vor der ersten Ausnehmung (62) angeordnet ist.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerdichtring (42, 53, 64) zur Vorspannung des radial außen darauf angeordneten Metallrings (43, 49, 55) und/oder des Kunststoffrings (44, 65) ausgebildet ist.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (43, 49, 55, 63) als Stahlring, und/oder der Kunststoffring (44, 65) als PTFE-Ring ausgebildet ist.
Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (43, 49, 55, 63) quer zur Umfangsrichtung des Metallrings (43, 49, 55, 63) auf seinem Umfang mit einem Schlitz (48) unterbrochen vorgesehen ist.
Pleuel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (48) von Metallringen (43, 49, 55, 56), welche gemeinsam auf einem Kolben (6, 7) angeordnet sind, in einer Umfangsrichtung versetzt, insbesondere um 180° versetzt, angeordnet sind.
Pleuel nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallringe (43, 49, 55, 63) zur Vorspannung gegen eine innere Wand der Zylinderbohrung (8, 9) ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem Pleuel (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.