DE102020001743B3

DE102020001743B3 - Brennkraftmaschine mit verstellbarer Verdichtung

Info

Publication number: DE102020001743B3
Application number: DE102020001743.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit einem verstellbaren Verdichtungsverhältnis durch einen in einem Pleuelkopf schwenkbar angeordneten Exzenter. Die Verstellung zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis wird durch ein von Gas- und Massenkräften eines Hubkolbens am Exzenter erzeugtes Schwenkmoment hervorgerufen, während die Verstellung zu einem hohen Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen durch ein von einer vorgespannten Rückstellfeder auf den Exzenter übertragenes Rückschwenkmoment erfolgt. Eine Bremsfeder verzögert am Verstellende jeweils die Verstellgeschwindigkeit des Exzenters vor dessen Verriegelung durch einen Bolzen.

Description

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit einer verstellbaren Verdichtung, insbesondere Ottomotoren. Ein Verdichtungsverhältnis drückt die Höhe einer von einem Hubkolben im Verdichtungstakt vorgenommenen Gasverdichtung in ein im oberen Totpunkt verbleibendes Brennraumvolumen aus. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine bewirkt Wirkungsgradvorteile. Bei Ottomotoren von Kraftfahrzeugen mit häufig wechselnden Betriebsbedingungen zwischen Teillast- und Volllastbetrieb ist das maximal nutzbare Verdichtungsverhältnis jedoch abhängig von der betriebsabhängig variablen Frischgasmenge. Denn bei einem für eine bestimmte Frischgasmenge zu hohem Verdichtungsverhältnis führen zu hohe Verdichtungstemperaturen zu einer Selbstentzündung des Frischgases. Hiernach setzt eine zu früh beginnende unkontrollierte Verbrennung mit schädlich hohen Verbrennungsdrücken ein. Während, insbesondere bei Ottomotoren mit Turboaufladung, ein bei hoher Motorleistung niedrig eingestelltes Verdichtungsverhältnis eine Frischgas-Selbstentzündung verhindert, bewirkt ein bei Teillastbetrieb mit geringer Frischgasmenge hoch eingestelltes Verdichtungsverhältnis Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emission. Gegenüber einer zweistufigen Verdichtungsverstellung können bei Mehraufwand mit einer stufenlosen Verdichtungsverstellung zusätzliche Wirkungsgradvorteile erzielt werden.
Unter mehreren unterschiedlichen Lösungen für eine Verdichtungsverstellung ist insbesondere eine Verstellung der effektiven Länge eines den Hubkolben mit einer Kurbelwelle verbindenden Pleuels vorteilhaft. Beispielsweise kann durch einen zwischen einem Kolbenbolzen und einem dem Pleuel zugehörigen Pleuelkopf schwenkbar angeordneten Exzenter das Verdichtungsverhältnis verstellt werden. Eine derartige Lösung ist relativ kompakt ausgebildet und kann in einem nahezu unveränderten Hubkolben angeordnet sein, so dass sogar eine Nachrüstung in vorhandenen Motoren möglich ist.
Aus der DE 31 08 486A1 ist eine Lösung für eine Verdichtungsverstellung bekannt, bei der die Verschwenkung eines zwischen einem Kolbenbolzen und einem Pleuel angeordneten Exzenters durch einen axial verschiebbaren Pleuelkopf erfolgt. Der Exzenter steht mit dem Pleuelkopf über einen in eine Spiralnut hineinragenden Stift in Formschluss.
Weiterhin ist aus der DE 10 2019 115 994 A1 eine Lösung bekannt, bei der ein in einem Pleuelkopf schwenkbar angeordneter Exzenter mit dem ihn umschließenden Pleuelkopf Kammern aufweist, die hydraulisch schaltbar mit Öldruck beaufschlagt sind und ein Moment zum Verschwenken des Exzenters erzeugen. Durch entsprechend ausgebildete Drosselquerschnitte kann auch eine abbremsende Bedämpfung der Verschwenkung erzielt werden, um mechanische Schäden an die Verstellung begrenzenden Anschlägen zu vermeiden.
Die DE 10 2016 117 875 A1 zeigt eine Lösung, bei der ein zwischen einem Kolbenbolzen und einem Pleuelkopf angeordneter Exzenter durch zwei an einer Pleuelstange sich abstützende Verstellkolben verschwenkt und bedämpft wird. Ein am Pleuel angeordnetes, mechanisch betätigtes Umschaltventil beaufschlagt wechselweise die Verstellkolben mit Öldruck.
Die DE 10 2010 061 361 A1 zeigt ein Umschaltventil für eine Verdichtungsverstellung einer Brennkraftmaschine, das in einer Pleuelstange mit einer effektiv durch einen Exzenter verstellbaren Pleuellänge angeordnet ist. Das Umschaltventil wird vom Öldruck der Brennkraftmaschine beaufschlagt und schaltet in Abhängigkeit von der regelbaren Höhe des Öldrucks das Verdichtungsverhältnis um.
Weiterhin beschreiben den Stand der Technik die DE 10 2017 107 718 A1 / Ventilmechanismus für eine längenverstellbare Pleuelstange, die DE 10 2018 111 435 A1 / Hubkolbenmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, die DE 10 2015 015 882 A1 / Kolbenanordnung für einen veränderbaren Kompressionsverhältnis aufweisenden Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, die DE 10 2011 111 816 A1 / Vorrichtung mit Exzenter-Kolbenbolzen zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor.
Es ist Aufgabe der Erfindung für eine zweistufige Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine eine Lösung zu schaffen, die bei kompakter und kostengünstiger Ausbildung betriebssicher funktioniert und ohne besonderen Aufwand verstellt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Hauptanspruch, weitere Unteransprüche beschreiben die Ausgestaltung der Erfindung.
In einer bevorzugten Anwendung der Erfindung an einem Ottomotor mit zumindest einem Zylinder ist eine zweistufige Verdichtungsverstellung zur Vermeidung einer Selbstentzündung der verdichteten Frischgase vorgesehen. Die erfindungsgemäße Lösung für die Verstellung der Verdichtung verwendet einen Exzenter, der bei einem Hubkolbentriebwerk, ausgebildet mit einem Hubkolben, einem Kolbenbolzen, einem Pleuel und einer Kurbelwelle, zwischen dem Kolbenbolzen und einem dem Pleuel zugehörigen Pleuelkopf angeordnet ist. Die vom Kolbenbolzen immer in Richtung einer Pleuellängsachse auf den Exzenter übertragenen, periodisch wechselnden Gas- und Massenkräfte erzeugen an dem Exzenter ein wechselndes Schwenkmoment, das für dessen Verschwenkung genutzt wird. Der Exzenter ist zwischen einer ersten Verstellposition V1 und einer zweiten Verstellposition V2 verstellbar. Die Höhe des Schwenkmoments ist von der Ausrichtung der Exzentrizität e des Exzenters abhängig. Bei einer im Pleuel verriegelten Verstellposition V2 des Exzenters für ein hoch eingestelltes Verdichtungsverhältnis bei Teillastbetrieb mit beispielsweise quer zur Pleuellängsachse ausgerichteter Exzentrizität e ist der Hebelarm und damit das von den Gas- und Massenkräften abhängige Schwenkmoment am größten. Eine nach Entriegelung des Exzenters erfolgende Verstellung der Verdichtung, von einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis bei Volllastbetrieb mit dann zunehmender beispielsweise linksdrehender Verschwenkung des Exzenters im Pleuelkopf, reduziert den Hebelarm für die auf ihn einwirkenden Gas- und Massenkräfte. Nach einem vorzugsweisen Verstellwinkel von 90° endet die Verschwenkung des Exzenters in einer Verstellposition V1, wobei die Exzentrizität e des Exzenters dann nach unten zur Pleuellängsachse ausgerichtet ist. Hierdurch können weiterhin wirkende Gas- und Massenkräfte ohne dann wirksamen Hebelarm kein Schwenkmoment mehr erzeugen. Folglich wird die linksdrehende Verschwenkung automatisch beendet, insbesondere wenn darüber hinaus ein trägheitsbedingtes Überschwingen der Verschwenkung über die Verstellposition V1 hinaus zugelassen wird, wodurch sogar ein rechtsdrehendes Rückschwenken des Exzenters in die Verstellposition V1 bewirkt wird. In der Verstellposition V1 erfolgt die Verstellung dann abschließende Verriegelung des Exzenters.
Eine Rückverstellung von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis bei Teillastbetrieb erfolgt nach Entriegelung in der Verstellposition V1 durch eine erfindungsgemäß am Exzenter angreifende Rückstellfeder. Sie ist vorgespannt und erzeugt ein rechtsdrehendes Schwenkmoment. Ohne zunächst effektiven Hebelarm sind die auf den Exzenter einwirkenden Gas- und Massenkräfte für die Rückverstellung unwirksam, so dass die Rückstellfeder bei Verstellbeginn nur entgegenwirkende Reibungskräfte zu überwinden hat. Mit zunehmender Verschwenkung des Exzenters kommen dann auch die periodisch wechselnden Gas- und Massenkräfte durch den für sie zunehmenden Hebelarm ins Spiel. Während die Rückstellfeder zwar gegen ihr zeitweise entgegenwirkende Gaskräfte des Verbrennungs- oder Verdichtungsdrucks im Brennraum nicht ankommt, erfolgt die Verstellung zu einem hohen Verdichtungsverhältnis jedoch in Phasen geringer oder sogar negativer Gaskräfte, beispielsweise während des Ansaugtaktes mit Unterdruck im Brennraum. Auch die im oberen Hubbereich nach oben wirkenden Massenkräfte des Hubkolbens unterstützen die Rückverstellung zu einem hohen Verdichtungsverhältnis mit abschließender Verriegelung des Exzenters wieder in der Verstellposition V2.
Die Kraft der Rückstellfeder muss einerseits so gewählt sein, dass sie bei einer Verstellung zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis von den im Brennraum wirkenden Gaskräften immer gespannt wird. Hierbei kann bereits der im Verdichtungstakt im Brennraum ansteigende Verdichtungsdruck ausreichend sein, um für den Verstellvorgang nicht unbedingt die variablen und teilweise sehr hohen Verbrennungsdrücke nutzen zu müssen. Andererseits muss die Kraft der Rückstellfeder so groß sein, dass sie auch die Rückverstellung zu einem hohen Verdichtungsverhältnis betriebssicher erledigt.
Bei der Verstellung der Verdichtung wirkt der Verschwenkung des Exzenters grundsätzlich immer die im Pleuelkopf wirkende Reibung entgegen. Weiterhin nimmt auch die vom Hubkolben mit seinem Kolbenbolzen auf den Exzenter übertragene Reibung auf die Verschwenkung Einfluss. Diesbezüglich kann der Exzenter für den Verstellvorgang zusätzlich einseitig mit Öldruck beaufschlagt werden, um ihn gegenüberliegend an den Hubkolben zu drücken und dadurch seitlich ein zusätzliches Reibmoment vom Hubkolben auf den mit dem Pleuel schwenkenden Exzenter zu übertragen. Hierdurch können Funktionsvorteile für die vom Exzenter vorgenommene Verdichtungsverstellung erzielt werden, insbesondere um bei Verstellbeginn eine der Verstellung entgegenwirkende Haftreibung zu überwinden.
Beide vom Exzenter eingestellten Verstellpositionen V1 und V2 müssen für eine sichere Betriebsweise der Brennkraftmaschine verriegelt sein. Nur für eine vorzunehmende Verdichtungsverstellung ist die Verriegelung aufzuheben, um danach sofort wieder zu verriegeln. Für die Verriegelung können verschiedene bekannte Systeme zu Einsatz kommen, beispielsweise ein von einer Feder vorgespannter Bolzen, der hydraulisch verstellbar ist und durch entsprechenden Formschluss eine Verriegelung zwischen Exzenter und Pleuel bewirkt. Vorzugsweise werden zwei Bolzen verwendet, die wechselweise die beiden Verstellpositionen V1 und V2 des Exzenters verriegeln. Für die hydraulische Umschaltung zweier Bolzen sind Systeme bekannt, bei denen ein Steuergerät der Brennkraftmaschine bedarfsgerecht eine Verdichtungsverstellung auslöst. Hierbei kann ein im Pleuel angeordnetes mit Öldruck beaufschlagtes Umschaltventil verwendet werden, dass zwischen zwei Schaltpositionen verstellbar ist und über entsprechende Hydraulikverbindungen des Pleuels auf die wechselweise verriegelnden Bolzen Öldruck zu- oder abschaltet. Vorzugsweise erfolgt die Verstellung des mit Öldruck beaufschlagten Umschaltventils bei einem bestimmten Umschalt-Öldruck, beispielsweise bei 3 bar. Ein von einer Feder vorgespannter Schaltkolben des Umschaltventils wechselt dann von einer ersten in eine zweite Schaltposition und löst dadurch entsprechend die Umschaltung der den Exzenter verriegelnden Bolzen aus. Die hierzu nötige Verstellung des Öldrucks zwischen einem unteren und oberen Betriebs-Öldruck von beispielsweise 2 und 4 bar ist bei Brennkraftmaschinen Stand der Technik, um durch eine bedarfsgerechte Öldruckregelung beispielsweise die Antriebsleistung einer den Öldruck erzeugenden Ölpumpe abzusenken. Auf die im Pleuel angeordneten Bolzen wirken bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine relativ hohe Beschleunigungen. Um die Position des jeweils verriegelnden Bolzens zu sichern, kann beispielsweise eine mit Öldruck beaufschlagte Sperrkugel mit einer Umfangsnut des zu sichernden Bolzens in Formschluss treten. Die zwei Bolzen werden bevorzugt als beidseitig mit Öldruck beaufschlagbare Stufenkolben ausgeführt und können jeweils einen konischen Kolbenkopf und eine Zentralbohrung aufweisen.
Eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine muss nicht nur betriebssicher funktionieren, sondern auch für eine lange Motorlebensdauer ausgelegt sein. Die bei Entriegelung des Exzenters aus der Verstellposition V2 unter Nutzung der Gas- und Massenkräfte ablaufende Verschwenkung muss zum Verstellende bei Verriegelung in der Verstellposition V1 soweit abgebremst sein, dass an einem verriegelnden Bolzen keine mechanischen Schäden auftreten. Eine derartige Abbremsung kann beispielsweise in bekannter Weise durch eine hydraulische Dämpfung erfolgen. Die erfindungsgemäße Lösung verwendet zur Abbremsung der Verstellung jedoch ein mechanisches Prinzip. Wie bereits anfangs ausführlich beschrieben, ist es hilfreich bei einer Verstellung auf ein niedriges Verdichtungsverhältnis durch Gas- und Massenkräfte den für diese wirksamen Hebelarm auslegungsgemäß beispielsweise bis auf Null bei Verstellende zu reduzieren. Der im Exzenter angeordnete Kolbenbolzen steht dann in einer tiefsten Position im Pleuelkopf. In der zugehörigen Verstellposition V1 ist dann kein Schwenkmoment mehr wirksam, so dass die Verschwenkung automatisch endet. Für eine mechanische Begrenzung der maximalen Verschwenkung des Exzenters sind jedoch Anschläge vorgesehen, die erfindungsgemäß erst nach einem Zusatzschwenkwinkel von beispielsweise 5° nach der Verstellposition V1 wirksam werden. Hierdurch kann der Exzenter trägheitsbedingt zunächst über die Verstellposition V1 hinausschwenken. Dabei wird eine erfindungsgemäß vorgesehene Bremsfeder verspannt, die den Exzenter abbremst und anschließend wieder in die Verstellposition V1 zurückschwenkt. Die Verriegelung erfolgt durch einen vorgespannten Bolzen, der im Pleuel angeordnet ist und vorzugweise einen konischen Kopf aufweist, mit dem er sich in eine entsprechende Konusbohrung des zu verriegelnden Exzenters schieb. Das hierbei anfängliche Spiel des konischen Formschlusses durch den Bolzen erlaubt das gewisse Überschwingen des Exzenters über die Verstellposition V1 hinaus mit der zuvor beschriebenen Abbremsung durch die Bremsfeder. Für eine ähnlich ablaufende Abbremsung des Exzenters bei einer Rückverstellung in die Verstellposition V2 ist für ein Überschwingen von beispielsweise ebenfalls 5° auch ein mechanisch wirksamer Anschlag zur Begrenzung des maximalen Schwenkwinkels vorgesehen. Der von den beiden Anschlägen begrenzt mögliche Schwenkwinkel ist im genannten Beispielfall dann 10° größer als der Verstellwinkel zwischen den beiden Verstellpositionen V1 und V2. Die Abbremsung des Exzenters nach der Rückverstellung in die Verstellposition V2 kann durch eine von der ersten Bremsfeder abweichend ausgelegte zweite Bremsfeder erfolgen.
Eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses bei einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine wird im Wesentlichen durch den Fahrer ausgelöst, der über das Fahrpedal wie auch durch eine Betätigung der Getriebeschaltung auf das Steuergerät der Brennkraftmaschine Einfluss nimmt. Hierbei kann das Motorsteuergerät sofort oder auch verzögert die Verdichtung verstellen. So kann beispielsweise bei Erkennen einer beabsichtigten Fahrzeugbeschleunigung kurzfristig noch vor über mehrere Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine ansteigendem Verbrennungsdruck das Verdichtungsverhältnis bei noch moderaten Gaskräften abgesenkt werden, was die an der Verdichtungsverstellung beteiligten Bauteile schont. Andererseits kann auch für eine Verdichtungserhöhung bei einer Drehmomentreduzierung wie auch beim Herunterschalten des Getriebes kurzzeitig durch entsprechendes Schließen der Drosselklappe ein beim Ladungswechsel im Brennraum erhöhter Unterdruck erzeugt werden, wodurch die Verdichtungsverstellung unterstützt wird. Weiterhin ist auch denkbar, durch einmalige oder kurzzeitig mehrmalige Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung, bei Mehrzylindermotoren zeitlich versetzt, die brennraumdruckabhängige Verdichtungsverstellung zu unterstützen.
Anhand der nachfolgend beschriebenen 1 bis 7 wird die Erfindung näher erläutert.

Die 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 2 zeigt den Exzenter bei hoch eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 2.
Die 4 zeigt den Exzenter bei niedrig eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
Die 5 zeigt eine Schnittansicht zu 4 von links.
Die 6 und 7 zeigen das Umschaltventil in zwei verschiedenen Schaltstellungen.

In der 1 ist ein bevorzugtes Ausbildungsbeispiel der Erfindung für eine als Ottomotor ausgebildete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder dargestellt. Im Zylinder 1 ist ein entlang einer Zylinderachse 2 beweglicher Hubkolben 3 angeordnet. Der Zylinder 1 ist von einem Zylinderkopf 4 verschlossen, wodurch zwischen dem Hubkolben 3 und dem Zylinderkopf 4 ein Brennraum 5 gebildet ist. Der vom veränderlichen Gasdruck im Brennraum 5 beaufschlagte Hubkolben 3 überträgt die resultierenden Gaskräfte wie auch Kolbenmassenkräfte über einen Kolbenbolzen 6 auf einen diesen umschließenden Exzenter 7. Dieser stützt sich an einer Pleuelstange 8 mit einer zugehörigen Pleuellängsachse 8a ab, die eine Kurbelwelle 9 antreibt. Die bei Motorbetrieb im Brennraum 5 wirkenden Gaskräfte erzeugen in bekannter Weise ein entsprechendes Drehmoment an der Kurbelwelle 9.
Der Exzenter 7 ist schwenkbar in einem Pleuelkopf 10 der Pleuelstange 8 drehgelagert. Er weist zur Begrenzung seiner Verschwenkung einen Stift 11 auf. Dieser ragt in eine Nut 12 des Pleuelkopfs 10 hinein, die eine maximale Verschwenkung des Exzenters 7 um einen Schwenkwinkel α zulässt. In der dargestellten ersten Verstellposition V1 des Exzenters 7 für ein niedriges Verdichtungsverhältnis ist dieser von einem in der Pleuelstange 8 angeordneten ersten Stufenkolben 30 verriegelt, der hydraulisch schaltbar ausgebildet ist und in eine kaum erkennbare erste Konusbohrung 37 des Exzenters 7 hineinragt. Weiterhin ist in der Pleuelstange 8 ein zweiter Stufenkolben 40 angeordnet, durch den der schwenkbare Exzenter 7 über eine zweite Konusbohrung 47 in einer um einen Verstellwinkel β versetzten zweiten Verstellposition V2 für ein hohes Verdichtungsverhältnis verriegelt werden kann.
Der Pleuelkopf 10 ist von einer den Exzenter 7 erfindungsgemäß vorspannenden Schenkelfeder 20 umgeben, die ein rechtsdrehendes Moment auf den Exzenter 7 überträgt. Sie greift einerseits mit einer Öse 21 an einem zum Stift 11 gehörenden Stiftkopf 19 an und stützt sich andererseits mit einem ersten Federschenkel 22 und einem nicht sichtbaren zweiten Federschenkel 23 in einer Bohrung 24 der Pleuelstange 8 ab.
Beide Stufenkolben 30 und 40 werden für eine Umschaltung des Verdichtungsverhältnisses zur Ent- und Verriegelung der beiden Verstellpositionen V1 und V2 des Exzenters 7 wechselweise mit Öldruck beaufschlagt oder druckentlastet. Hierzu weist die Kurbelwelle 9 in einem Hauptlagerzapfen 13 eine Bohrung 14 auf, die von einem Öldruckregler 15 aus einem Schmierölsystem der Brennkraftmaschine mit Öldruck beaufschlagt ist. Ein verdeckt dargestellter Hubzapfen 16 ist von der Pleuelstange 8 und einem mit dieser verschraubten Pleueldeckel 17 umschlossen. Die Schmierung des Hubzapfens 16 erfolgt über eine mit der Bohrung 14 in hydraulischer Verbindung stehende Bohrung 18, wodurch an dessen Gleitlager permanent Öldruck ansteht. Ein im Pleueldeckel 17 angeordnetes Umschaltventil 55 nutzt den im Gleitlager des Hubzapfens 16 verfügbaren Öldruck für die wechselweise Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung der Stufenkolben 30 und 40. Das Umschaltventil 55 weist einen Schaltkolben 56 mit einer Vorspannfeder 57 auf.
Die Verstellung der Verdichtung von einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis durch linksdrehendes Verschwenken des Exzenters 7 erfolgt im Wesentlichen durch am Hubkolben 3 wirkende Gas- und Massenkräfte. Eine Rückverstellung zu einem hohen Verdichtungsverhältnis erfolgt durch das Vorspannmoment der Schenkelfeder 20, das in Betriebsphasen geringer entgegenwirkender Gas- und Massenkräfte den Exzenter 7 rechtsdrehend verschwenkt. Für eine von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine veranlasste Verstellung der Verdichtung wird zunächst der Öldruckregler 15 für einen Wechsel des Betriebsöldrucks angesteuert. Beispielsweise wird ausgehend von einem entsprechend 1 bei Motorvolllast niedrig eingestelltem Verdichtungsverhältnis von 10/1 dabei von einem oberen Betriebsöldruck von 4 bar für eine Umschaltung auf ein bei Motorteillast hohes Verdichtungsverhältnis von 14/1 ein unterer Betriebsöldruck von 2 bar vom Öldruckregler 15 eingestellt. Beim Unterschreiten eines Umschalt-Öldrucks von beispielsweise 3 bar verschiebt sich am Umschaltventil 55 der Schaltkolben 56 durch die Vorspannfeder 57, wodurch die Druckbeaufschlagung der Stufenkolben 30 und 40 wechselt. Hierdurch verschiebt sich zunächst der den Exzenter 7 entriegelnde, dann mit Öldruck beaufschlagte Stufenkolben 30 in die Pleuelstange 8 zurück. Der Exzenter 7 kann sich nun im Wesentlichen durch die Vorspannkraft der Schenkelfeder 20 rechtsdrehend aus der bisherigen Verstellposition V1 heraus verschwenken. Bei Erreichen der Verstellposition V2 verriegelt der nun gegen den Exzenter 7 gedrückte Stufenkolben 40 den Exzenter 7 in der Verstellposition V2. Für eine nachfolgende Rückkehr in die bei Volllastbetrieb wieder erforderliche Verstellung auf ein niedriges Verdichtungsverhältnis von 10/1 wird wieder der hohe Betriebsöldruck von 4 bar eingestellt, wodurch das Umschaltventil 55 die hydraulische Beaufschlagung der Stufenkolben 30 und 40 wechselt und den Stufenkolben 40 entriegelt. Die im Wesentlich dann durch Gasdruck im Brennraum 5 erfolgende Verschwenkung des Exzenters 7 in die Verstellposition V1 wird dann wieder durch den Stufenkolben 30 verriegelt.
Um bei Ende einer Verschwenkung des Exzenters 7 jeweils ein hartes Anschlagen des Stifts 11 in den Enden der Nut 12 bzw. eine schlagartige Verriegelung durch die Stufenkolben 30 bzw. 40 zu verhindern, ist zur Abbremsung der Verstellgeschwindigkeit erfindungsgemäß eine Bremsfeder vorgesehen. Sie ist vorzugsweise als eine den Pleuelkopf 10 teilweise umschließende, am Stift 11 fixierte Bogenfeder 25 ausgebildet und weist zwei zwischen den Windungen 20a der Schenkelfeder 20 hindurchragende Federenden 26 und 27 auf. Diese legen sich jeweils bei Verstellende an der Pleuelstange 8 an. Die Abbremsung nach einer Verschwenkung des Exzenters 7 erfolgt im Wesentlichen dadurch, dass der Exzenter 7 mit seinem Stift 11 über die Verstellposition V1 bzw. V2 etwas in den Schwenkwinkelbereich hinausschwenkt, um den der Schwenkwinkel α größer als der Verstellwinkel β ist. Dadurch verspannen sich jeweils die an der Pleuelstange 8 anliegenden Federenden 26 bzw. 27. Nach erfolgter Abbremsung wird der Exzenter 7 von der verspannten Bogenfeder 25 in die Verstellposition V1 bzw. V2 zurückgeschwenkt und vom jeweiligen Stufenkolben 30 bzw. 40 verriegelt.
Die 2 zeigt den Hubkolben 3 in einem ersten oberen Totpunkt, bei dem ein kleines Volumen des Brennraums 5 ein entsprechend hohes Verdichtungsverhältnis für Teillastbetrieb bewirkt. Hierbei steht die Pleuelstange 8 senkrecht, wobei bei effektiv langem Pleuel der Exzenter 7 nach rechts in die Verstellposition V2 verschwenkt und durch den Stufenkolben 40 verriegelt ist. Die Exzentrizität e des Exzenters 7 ist quer zur Pleuellängsachse 8a ausgerichtet und bietet für die auf ihn einwirkenden Kolben- und Massenkräfte einen relativ großen Hebelarm. Die am Stiftkopf 19 mit der Öse 21 anliegende Schenkelfeder 20 ist in der Verstellposition V2 weniger vorgespannt, wodurch sie sich gegenüber der in der 1 gezeigten Verstellposition V1 mit ihren den Pleuelkopf 10 umschließenden Windungen 20a von der Bogenfeder 25 bzw. vom Pleuelkopf 10 entsprechend radial entfernt hat.
Der Stufenkolben 40 weist einen konisch ausgebildeten Kolbenkopf 41, mit dem er in die Konusbohrung 47 des Exzenters 7 hineinragt, sowie eine Zentralbohrung 42 auf. In einer Federkammer 43 ist eine den Stufenkolben 40 vorspannende Feder 44 angeordnet. Die Konusbohrung 47 steht über die Zentralbohrung 42 und eine Bohrung 35 der Pleuelstange 8 hydraulisch mit dem Umschaltventil 55 in Verbindung, wobei die Bohrung 35 drucklos geschaltet ist. Der den Exzenter 7 über die versetzte Konusbohrung 37 nicht verriegelnde Stufenkolben 30 weist einen konischen Kolbenkopf 31 und eine Zentralbohrung 32 auf. Er ist von einer in einer Federkammer 33 angeordneten Feder 34 vorgespannt. Der Stufenkolben 30 ist vom an seinem Kolbenkopf 31 anliegenden Öldruck in die Federkammer 33 geschoben, wobei der Öldruck über die Zentralbohrung 32 und eine Bohrung 45 der Pleuelstange 8 vom Umschaltventil 55 aufgeschaltet ist. Die Federkammer 43 ist über eine Verbindung 46 an der Bohrung 45 und entsprechend die Federkammer 33 über eine Verbindung 36 an der Bohrung 35 hydraulisch angeschlossen. Hierdurch wird in 2 der Stufenkolben 40 neben der Kraft der Feder 44 auch mit Öldruck in die Konusbohrung 47 des Exzenters 7 gedrückt, während die Federkammer 33 des Stufenkolbens 30 druckentlastet ist. Ein mit Öldruck beaufschlagtes Sperrelement, das vorzugsweise als Sperrkugel 50 ausgebildet ist, sichert die Verriegelung des Exzenters 7 durch den insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen großen Beschleunigungen ausgesetzten Stufenkolben 40.
Um nach Entriegelung des in der Verstellposition V2 befindlichen Exzenters 7 eine insbesondere durch zeitweise relativ große Gaskräfte hervorgerufene Verschwenkung des Exzenters 7 in die Verstellposition V1 zur Vermeidung von mechanischen Schäden abzubremsen, sind entsprechende Gegenmaßnahmen erforderlich. Als erste Maßnahme hierzu ist die bereits anhand der 1 beschriebene Abbremsung der Verstellung durch die Bogenfeder 25 zu nennen, die sich in der Verstellposition V1 mit ihrem Federende 27 an die Pleuelstange 8 anlegt. Eine wesentliche zweite Maßnahme zur Abbremsung der Verstellgeschwindigkeit ist eine vorteilhafte Ausrichtung der Exzentrizität e des Exzenters 7 entsprechend 2. Bei Verstellbeginn nach Entriegelung der Verstellposition V2 bewirkt die quer zur Pleuellängsachse 8a ausgerichtete Exzentrizität e einen relativ großen Hebelarm für die verstellwirksamen Gas- und Massenkräfte. Mit zunehmender Verschwenkung reduziert sich der Hebelarm bis zur Verstellposition V1 des Exzenters 7, dessen Exzentrizität e sich dann vorzugsweise zur Pleuellängsachse 8a ausgerichtet hat. In der dann tiefsten Position des Kolbenbolzens 6 im Pleuelkopf 10 ist dann das mit der Verschwenkung abnehmende Schwenkmoment bis auf den Wert Null abgefallen. Es wird bei einem möglichen Überschwenken der Verstellposition V1 sogar negativ mit dann rückdrehender Wirkung in die Verstellposition V1 zurück. Hierdurch wird also die Verschwenkung automatisch beendet, auch ohne die zusätzlich unterstützende Bremswirkung der Bogenfeder 25.
Die 3 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt der 2 die Umgebung der Sperrkugel 50. Sie ist in einer die beiden Stufenkolben 30 und 40 verbindenden Bohrung 51 der Pleuelstange 8 durch Öldruck beweglich angeordnet. Der am Kolbenkopf 31 und in der Zentralbohrung 32 von Stufenkolben 30 wirkende Öldruck gelangt über eine Ringnut 52 des Stufenkolbens 30 in die Bohrung 51. Hierdurch wird die Sperrkugel 50 in eine Ringnut 53 des Stufenkolbens 40 geschoben, wobei die mit der Zentralbohrung 42 verbundene Ringnut 53 drucklos ist. Durch den Formschluss zwischen der Ringnut 53 mit der Sperrkugel 50 ist der bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine hohen Beschleunigungen ausgesetzte Stufenkolben 40 in seiner den Exzenter 7 verriegelnden Position gesichert. Bei Verstellung der Verdichtung durch einen Wechsel der Druckbeaufschlagung durch das Umschaltventil 55 bewirkt der in der Zentralbohrung 42 des Stufenkolbens 40 dann anliegende Öldruck eine Verschiebung der Sperrkugel 50 zum Stufenkolben 30. Der hierdurch entsicherte Stufenkolben 40 verschiebt sich durch den in der Konusbohrung 47 wirkenden Öldruck in die drucklose Federkammer 43 und entriegelt den Exzenter 7 zum Verschwenken.
Die 4 zeigt den zuvor entriegelt gewesene Exzenter 7, nach dessen durch Gas- und Massenkräfte verursachten Verschwenkung, in der Verstellposition V1. Nach erfolgter, zuvor bereits beschriebener, Abbremsung der Verstellung durch das an der Pleuelstange 8 anliegende Federende 27 der Bogenfeder 25, kann der von Öldruck und Federkraft gespannten Stufenkolben 30 den Exzenter 7 verriegeln. Der Stufenkolben 30 ist in einer Momentaufnahme dargestellt, bei der er sich erst ca. 50% in die Konusbohrung 37 geschoben hat und durch die konische Ausbildung des Kolbenkopfs 31 der Formschluss zur Konusbohrung 37 noch spielbehaftet ist. Das anfänglich relativ große Formschlussspiel des Stufenkolbens 30 ermöglicht das für die Abbremsung durch die Bogenfeder 25 zum Verstellende erforderliche Überschwingen über die Verstellposition V1 hinaus. Nach erfolgtem Rückschwenken verriegelt der dann vollständig in die Konusbohrung 37 eingerückte Stufenkolben 30 den Exzenter 7, wonach die Sperrkugel 50 in Formschluss mit der Ringnut 52 tritt.
Der Kolbenbolzen 6 ist mit seiner Kolbenbolzenachse 6a um die Exzentrizität e im Pleuelkopf 10 maximal nach unten verlagert. In der gezeigten zweiten OT-Stellung des Hubkolbens 3 ist gegenüber 2 der Brennraum 5 bei entsprechend abgesenktem Verdichtungsverhältnis vergrößert. Bei der Verschwenkung des Exzenters 7 in die Verstellposition V1 wird die Schenkelfeder 20 über ihre Öse 21 zunehmend vorgespannt, wodurch ihre den Pleuelkopf 10 umschließenden Windungen 20a sich verengen und in der Verstellposition V1 nahezu spielfrei an der Bogenfeder 25 anliegen. Hierdurch werden insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen mit resultierend hohen Hubbeschleunigungen, in denen bei dann höherer Motorleistung fast ausschließlich das niedrige Verdichtungsverhältnis eingestellt ist, schädliche Federschwingungen der Schenkelfeder 20 im Sinne einer hohen Betriebssicherheit unterbunden.
Die 5 zeigt eine Schnittansicht zu 4 von der linken Seite, mit dem Pleuelkopf 10 in einem ersten Halbschnitt und den hierzu versetzten Schaltkolben 30 in einem zweiten Halbschnitt. Die Schenkelfeder 20 stützt sich einerseits mit ihrer Öse 21 am Stiftkopf 19 des in der Nut 12 schwenkbaren Stifts 11 und andererseits mit ihren beiden Federschenkeln 22 und 23 in der Bohrung 24 der Pleuelstange 8 ab. Die in der Verstellposition 1 radial verengten Windungen 20a der Schenkelfeder 20 liegen nicht nur oben nahezu spielfrei an der Bogenfeder 25 an, sondern sind auch unten beidseitig der Pleuelstange 8 in nahezu spielfreiem Formschluss mit entsprechend einem Drahtquerschnitt 20b der Schenkelfeder 20 ausgebildeten Konturen des Pleuelkopfs 10. Insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen ist hierdurch eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Eine von der Konusbohrung 37 ausgehende Bohrung 38 im Exzenter 7 dient zumindest zeitlich begrenzt einer rechtsseitigen Beaufschlagung des Exzenters 7 mit Öldruck, um ihn gegenüberliegend linksseitig an den Hubkolben 3 zu drücken. Hierdurch wird beim periodischen Schwenken der Pleuelstange 8 ein wechselndes Reibmoment vom Hubkolben 3 auf den Exzenter 7 übertragen, was für die Auslösung der Verdichtungsverstellung vorteilhaft sein kann. Wie die Konusbohrung 37 weist die in 4 sichtbare Konusbohrung 47 auch eine von ihr ausgehende Bohrung 48 auf, um bei in ihr anliegendem Öldruck ebenfalls ein Reibmoment am Exzenter 7 zu erzeugen. Die linksseitig ungeschnitten dargestellte Bogenfeder 25 ragt mit ihrem schmalen Federende 27 durch die Windungen 20a der Schenkelfeder 20, um sich an der Pleuelstange 8 abzustützen.
In 6 sind das im Pleueldeckel 17 angeordnete Umschaltventil 55 mit dem Schaltkolben 56, der mehrere Nuten und Kanäle aufweist, wie auch dessen zugehörige hydraulische Verbindungen im Detail dargestellt. Der vom Ölkreislauf der Brennkraftmaschine bereitgestellte Öldruck gelangt im Hubzapfen 16 von der Bohrung 18 über eine Querbohrung 60 in die Gleitlagerung, die aus einer oberen Lagerhalbschale 61 und einer unteren Lagerhalbschale 62 besteht. Die untere Lagerhalbschale 62 weist eine Lagernut 63 auf, in der sich im Betrieb immer unter Öldruck stehendes Schmieröl befindet. Über eine Radialbohrung 64 der unteren Lagerhalbschale 62 und eine Bohrung 65 des Pleueldeckels 17 steht dadurch auch permanent Öldruck am Schaltkolben 56 und dessen linksseitiger Stirnseite an. Bei niedrigem Betriebs-Öldruck von beispielsweise 2 bar steht der Schaltkolben 56 durch die Auslegungskraft der in einer Federkammer 58 angeordneten Vorspannfeder 57 in einer linksseitigen Schaltposition. Hierbei leitet er den in der Bohrung 65 anstehenden Öldruck über eine Bohrung 66 und einen halbseitig die Lagerhalbschalen 61 und 62 umschließenden Kanal 67 in die Bohrung 45 der Pleuelstange 8. Dagegen ist die Bohrung 35 der Pleuelstange 8 drucklos, da sie hydraulisch über einen Kanal 68 und eine Bohrung 69 mit der drucklosen Federkammer 58 in Verbindung steht, die eine Belüftungsbohrung 59 aufweist. Hierdurch ist entsprechend 2 der Exzenter 7 in der Verstellposition V2 bei hohem Verdichtungsverhältnis durch den Stufenkolben 40 verriegelt.
Die 7 zeigt das Umschaltventil 55 mit einer rechtsseitigen Schaltposition des Schaltkolben 56, der sich bei hohem Betriebs-Öldruck von beispielweise 4 bar gegen die Vorspannfeder 57 verschoben hat. Die in der Bohrung 65 anstehende Öldruck wird nun vom Schaltkolben 56 über die Bohrung 69 und dem Kanal 68 der Bohrung 35 der Pleuelstange 8 zugeführt. Die Bohrung 45 ist nun drucklos, da sie über den Kanal 67 und die Bohrung 66 über den Schaltkolben 56 mit der drucklosen Federkammer 58 in hydraulischer Verbindung steht. Hierdurch ist entsprechend 4 der Exzenter 7 in Verstellposition V1 bei niedrigem Verdichtungsverhältnis durch den Stufenkolben 30 verriegelt.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Zylinderachse
3: Hubkolben
4: Zylinderkopf
5: Brennraum
6: Kolbenbolzen
6a: Kolbenbolzenachse
7: Exzenter
8: Pleuelstange
8a: Pleuellängsachse
9: Kurbelwelle
10: Pleuelkopf
10a: Pleuelkopfachse
11: Stift
12: Nut
13: Hauptlagerzapfen
14: Bohrung
15: Öldruckregler
16: Hubzapfen
17: Pleueldeckel
18: Bohrung
19: Stiftkopf
20: Schenkelfeder
20a: Federwindung
20b: Drahtquerschnitt
21: Öse
22: erster Federschenkel
23: zweiter Federschenkel
24: Bohrung
25: Bogenfeder
26: erstes Federende
27: zweites Federende
28
29
30: erster Stufenkolben
31: Kolbenkopf
32: Zentralbohrung
33: Federkammer
34: Feder
35: Bohrung
36: Verbindung
37: erste Konusbohrung
38: Bohrung
39
40: zweiter Stufenkolben
41: Kolbenkopf
42: Zentralbohrung
43: Federkammer
44: Feder
45: Bohrung
46: Verbindung
47: zweite Konusbohrung
48: Bohrung
49
50: Sperrkugel
51: Bohrung
52: Ringnut
53: Ringnut
54
55: Umschaltventil
56: Schaltkolben
57: Vorspannfeder
58: Federkammer
59: Belüftungsbohrung
60: Querbohrung
61: obere Lagerhalbschale
62: untere Lagerhalbschale
63: Lagernut
64: Radialbohrung
65: Bohrung
66: Bohrung
67: Kanal
68: Kanal
69: Bohrung
V1: erste Verstellposition
V2: zweite Verstellposition
e: Exzentrizität
α: Schwenkwinkel
β: Verstellwinkel

Claims

Vorrichtung zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens einen Zylinder (1) mit einer Zylinderachse (2), einen entlang der Zylinderachse (2) zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt beweglichen Hubkolben (3) mit einem Kolbenbolzen (6), ein in seiner wirksamen Länge verstellbares Pleuel mit einer Pleuelstange (8), einem Pleueldeckel (17) und einem Pleuelkopf (10), einen im Pleuelkopf (10) um einen Schwenkwinkel (a) drehbar angeordneten Exzenter (7), der den Kolbenbolzen (6) umschließt, zwei in der Pleuelstange (8) angeordnete Stufenkolben (30, 40), die von je einer in einer Federkammer (33, 43) angeordneten Feder (34, 44) gegen den Exzenter (7) vorgespannt sind, zwei im Exzenter (7) angeordnete Konusbohrungen (37, 47) für dessen Verriegelung durch die Stufenkolben (30, 40) in zwei um einen Verstellwinkel (β) auseinanderliegenden Verstellpositionen (V1, V2), ein mit einem Öldruck der Brennkraftmaschine beaufschlagtes Umschaltventil (55) für eine wechselseitige Druckbeaufschlagung der Stufenkolben (30, 40), eine als Schenkelfeder (20) ausgebildete Rückstellfeder für den Exzenter (7), eine Vorrichtung zur Abbremsung der Verschwenkung des Exzenters (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsfeder (25) für den Exzenter (7) angeordnet ist, die dessen Abbremsung in einem Bereich des über den Verstellwinkel (β) hinausgehenden Schwenkwinkels (a) bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfeder als eine am Umfang des Pleuelkopfs (10) angeordnete Bogenfeder (25) ausgebildet ist, die am Exzenter (7) befestigt ist und sich am Ende einer Verstellung bei Erreichen einer Verstellposition (V1, V2) mit einem Federende (26, 27) an der Pleuelstange (8) abstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenkolben (30, 40) beidseitig mit Öldruck beaufschlagbar sind und je eine Zentralbohrung (32, 42) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (55) entweder einen Kolbenkopf (31) des ersten Stufenkolbens (30) und die Federkammer (43) des zweiten Stufenkolbens (40) oder einen Kolbenkopf (41) des zweiten Stufenkolbens (40) und die Federkammer (33) des ersten Stufenkolbens (30) mit Öldruck beaufschlagt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenkolben (30, 40) je eine Ringnut (52, 53) aufweisen, mit denen eine durch Öldruck bewegliche Sperrkugel (50) durch Formschluss die jeweilige Verriegelungsposition des Stufenkolbens (30, 40) im Exzenter (7) sichert.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den Konusbohrungen (37, 47) des Exzenters (7) je eine Bohrung (38, 48) abgeht, um den Exzenter (7) durch Öldruck seitlich gegen den Hubkolben (3) zu drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verstellposition V1 bei kleiner wirksamen Länge des Pleuels sich der mit dem Exzenter (7) schwenkbare Kolbenbolzen (6) in einer tiefsten Lage im Pleuelkopf (10) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (20) sich einerseits am Exzenter (7) und andererseits an der Pleuelstange (8) abstützt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Umschaltung des Verdichtungsverhältnisses durch ein Steuergerät der Brennkraftmaschine die auf den Hubkolben wirkenden Gasdrücke verzögert erhöht oder durch Schließen der Drosselklappe der Brennkraftmaschine oder durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung reduziert werden.