DE102020100311A1

DE102020100311A1 - Motor mit variablem verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102020100311A1
Application number: DE102020100311.0A
Authority: DE
Inventors: Ryan M. Heinbuch; Rodney E. Baker; Justin E. Ketterer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN111520237A; US20200248637A1; DE102020100311B4; US10787973B2; CN111520237B

Abstract

Ein Verbrennungsmotor umfasst einen Motorblock und einen Kolben, der während eines Motorzyklus innerhalb einer Zylinderbohrung hin und her gleitet. Eine Kurbelwelle und eine Steuerwelle sind vom Motorblock drehbar gelagert und um eine Kurbelachse und eine Steuerachse drehbar. Ein Antriebszahnrad ist auf der Kurbelwelle und ein Abtriebszahnrad ist auf der Steuerwelle montiert. Eine Verbindungsstange ist mit der Kurbelwelle verbunden und um eine Achse drehbar, die parallel zu der Kurbelachse verläuft. Eine untere Pleuelstange hat ein erstes und zweites Ende, die drehbar mit der Verbindungsstange und der Steuerwelle verbunden sind. Die Pleuelstange ist relativ zur Steuerwelle um eine Achse drehbar, die parallel zu der Steuerachse verläuft. Eine obere Pleuelstange hat ein erstes und zweites Ende, die drehbar mit der Verbindungsstange und dem Kolben verbunden sind. Eine Phasenverstellvorrichtung verbindet die Kurbelwelle und die Steuerwelle und beinhaltet eine drehbare Vorgelegewelle, einen Elektromotor zum Drehen der Vorgelegewelle, ein koaxial auf der Vorgelegewelle montiertes Getriebe, ein auf dem Getriebe koaxial zur Vorgelegewelle gestütztes Kurbelzahnrad und ein koaxial auf der Vorgelegewelle montiertes Steuerwellengetriebe. Das Antriebszahnrad greift in das Kurbelzahnrad ein und überträgt die Drehung der Kurbelwelle auf die Vorgelegewelle, und das Abtriebszahnrad greift in das Steuerwellenzahnrad ein und überträgt die Drehung der Vorgelegewelle auf die Steuerwelle.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, der in der Lage ist, mit den Vorteilen des Atkinson-Zyklus zu arbeiten und auch die Möglichkeit bietet, das Verdichtungsverhältnis des Motors zu variieren.
Verbrennungsmotoren, die in einem Atkinson-Zyklus arbeiten, sind bekannt. Ein Motor, der mit einem Atkinson-Zyklus arbeitet, hat eine Verdichtungshublänge, die, sowohl bei hohen Lasten und hohen Motordrehzahlen als auch bei niedrigen Lasten und niedrigen Motordrehzahlen, kleiner als die Expansionshublänge ist. Dies bietet Vorteile bezüglich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Neben dem Betrieb mit einem Atkinson-Zyklus ist es von Vorteil, das Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors ändern zu können. Während die Möglichkeit dazu besteht, können Technologien, die dies ermöglichen, Kosten und Gewicht für ein Fahrzeug erhöhen und die Verpackungsanforderungen an den Motor erhöhen.
Während die heutigen Technologien ihren Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an einem neuen und verbesserten Verbrennungsmotor, der die Vorteile eines Atkinson-Zyklus bietet und die Möglichkeit bietet, das Verdichtungsverhältnis des Motors selektiv zu variieren.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verbrennungsmotor einen Motorblock, der eine Zylinderbohrung definiert, einen Kolben, der gleitend in der Zylinderbohrung gelagert ist, eine Kurbelwelle, die drehbar durch den Motorblock gelagert und um eine Kurbelachse drehbar ist, eine Steuerwelle, die drehbar durch den Motorblock gelagert und um eine Steuerachse drehbar ist, wobei die Steuerachse parallel zu und distal von der Kurbelachse ist, eine Verbindungsstange, die drehbar mit der Kurbelwelle verbunden und relativ zur Kurbelwelle um eine Achse drehbar ist, die parallel zu und distal von der Kurbelachse ist, eine untere Pleuelstange mit einem ersten Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und einem zweiten Ende, das drehbar mit der Steuerwelle verbunden und relativ zur Steuerwelle um eine Achse drehbar ist, die parallel zu und distal von der Steuerachse ist, eine obere Pleuelstange mit einem ersten Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und einem zweiten Ende, das drehbar mit dem Kolben verbunden ist; und eine Phasenverstellvorrichtung, die durch den Motorblock zwischen der Kurbelwelle und der Steuerwelle getragen wird und diese miteinander verbindet und die Steuerwelle mit einer Drehzahl relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle dreht und das Verhältnis der Drehzahl der Steuerwelle zur Drehzahl der Kurbelwelle selektiv verändern kann.
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verbrennungsmotor einen Motorblock, der eine Zylinderbohrung definiert, einen Kolben, der gleitend in der Zylinderbohrung gelagert ist, wobei der Kolben während eines Motorzyklus wechselseitig in der Zylinderbohrung gleitet, einschließlich eines Kolbenverdichtungshubs mit einer Verdichtungshublänge und eines Kolbenexpansionshubs mit einer Expansionshublänge. Eine Kurbelwelle ist drehbar durch den Motorblock gelagert und um eine Kurbelachse drehbar, und eine Steuerwelle ist drehbar durch den Motorblock gelagert und um eine Steuerachse drehbar. Die Steuerachse ist parallel zu und distal von der Kurbelachse. Eine Verbindungsstange ist drehbar mit der Kurbelwelle verbunden und relativ zur Kurbelwelle um eine Achse drehbar, die parallel zu und distal von der Kurbelachse verläuft. Eine untere Pleuelstange hat ein erstes Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und ein zweites Ende, das drehbar mit der Steuerwelle verbunden ist. Die untere Pleuelstange ist relativ zur Steuerwelle um eine Achse drehbar, die parallel zu und distal von der Steuerachse verläuft. Eine obere Pleuelstange hat ein erstes Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und ein zweites Ende, das drehbar mit dem Kolben verbunden ist. Eine Phasenverstellvorrichtung wird durch den Motorblock zwischen der Kurbelwelle und der Steuerwelle getragen und verbindet diese und ändert selektiv die Drehzahl der Steuerwelle relativ zu der Kurbelwelle, wodurch sich die Verdichtungshublänge des Kolbenverdichtungshubs ändert.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Verbrennungsmotor ferner ein Antriebszahnrad, das koaxial auf der Kurbelwelle montiert ist und ein Abtriebszahnrad, das koaxial auf der Steuerwelle montiert ist, und die Phasenverstellvorrichtung beinhaltet eine um eine Phasenachse drehbare Vorgelegewelle, ein koaxial auf der Vorgelegewelle montiertes Getriebe, ein Kurbelzahnrad, das auf dem Getriebe koaxial zur Vorgelegewelle gestützt ist, und ein Steuerwellenzahnrad, das koaxial auf der Vorgelegewelle distal von dem Kurbelzahnrads montiert ist, wobei das Antriebszahnrad in das Kurbelzahnrad eingreift und die Drehung der Kurbelwelle auf die Vorgelegewelle überträgt, und das Abtriebszahnrad in das Steuerwellenzahnrad eingreift und die Drehung der Vorgelegewelle auf die Steuerwelle überträgt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Phasenverstellvorrichtung einen Elektromotor, der mit der Vorgelegewelle verbunden und zum Drehen der Vorgelegewelle eingerichtet ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das Getriebe so angepasst, zuzulassen, dass sich die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads ändert, wenn die Vorgelegewelle durch den Elektromotor gedreht wird.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Elektromotor angepasst, um eine Drehung der Vorgelegewelle in eine erste Richtung, wobei die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads erhöht ist, oder in eine zweite Richtung, wobei die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads verringert ist, zu bewirken.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung drehen sich Kurbelzahnrad, Getriebe, Vorgelegewelle und Steuerwellenzahnrad einheitlich, es sei denn, die Vorgelegewelle wird durch den Elektromotor gedreht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Kurbelzahnrad 2:1 und ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad und dem Abtriebszahnrad ist 1:1, und wobei, wenn es keine Eingabe von dem Elektromotor gibt, die Steuerwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Kurbelzahnrad 2:1, ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad und dem Abtriebszahnrad ist 1:1, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist 1:1, und wobei, ohne Eingabe von dem Elektromotor, die Steuerwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Kurbelzahnrad 1:1, ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad und dem Abtriebszahnrad ist 1:1 und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist 2:1, und wobei, ohne Eingabe von dem Elektromotor, die Steuerwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin enthaltenen Beschreibung. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die konkreten Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform, wobei der Motorblock teilweise abgebrochen dargestellt ist;
2 ist eine Schnittansicht aus 1 entlang der Linie 2-2;
3 ist eine Phasenverstellvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer exemplarischen Ausführungsform; und
4 ist eine grafische Darstellung eines Motorzyklus für einen Verbrennungsmotor gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein Verbrennungsmotor gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen bei 10 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 beinhaltet einen Motorblock 12. Der Motorblock 12 definiert mindestens eine darin ausgebildete Zylinderbohrung 14. Ein Kolben 16 ist innerhalb der Zylinderbohrung 14 gleitend gelagert. Während 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit vier Zylinderbohrungen 14 und vier Kolben 16 zeigt, ist zu beachten, dass der Motorblock 12 so konfiguriert sein kann, dass er verschiedene Vielfache der Zylinderbohrungen 14 beinhaltet. So kann beispielsweise der Motorblock 12 als V-Motor mit 2, 4, 6, 8 oder 10 Zylinderbohrungen 14 oder als Reihenmotor mit einer oder mehreren Zylinderbohrungen 14 konfiguriert sein. Es sollte erkannt werden, dass der Motorblock 12 auf eine andere Weise konfiguriert sein kann als die vorstehend genannten exemplarischen V- oder Reihenmotoren und außer der hierin beschriebenen exemplarischen Zahlen eine beliebige Anzahl von Zylinderbohrungen 14 beinhalten kann. Der Kolben 16 gleitet innerhalb der Zylinderbohrung 14 während eines Motorzyklus 18 wechselseitig hin und her, wobei der Motorzyklus einen Kolbenverdichtungshub 20 mit einer Verdichtungshublänge 22 und einen Kolbenexpansionshub 24 mit einer Expansionshublänge 26 enthält.
Eine Kurbelwelle 28 ist vom Motorblock 12 drehbar gelagert und dreht sich um eine Kurbelwellenachse 30. Die Kurbelwelle 28 beinhaltet ein koaxial darauf montiertes Antriebszahnrad 32. Eine Steuerwelle 34 ist vom Motorblock 12 drehbar gelagert und dreht sich um eine Steuerwellenachse 36, die parallel zu und distal von der Kurbelachse 30 verläuft. Die Steuerwelle 34 beinhaltet ein Abtriebszahnrad 38, das koaxial darauf montiert ist. Eine Verbindungsstange 40 ist drehbar auf der Kurbelwelle 28 gelagert und relativ zur Kurbelwelle 28 um eine Verbindungsstangenachse 42 drehbar, die parallel zu und distal von der Kurbelwellenachse 30 verläuft. Eine untere Pleuelstange 44 weist ein erstes Ende 46, das drehbar mit der Verbindungsstange 40 verbunden ist, und ein zweites Ende 48, das drehbar mit der Steuerwelle 34 verbunden ist, auf. Die untere Pleuelstange 44 ist relativ zur Steuerwelle 34 um eine untere Pleuelachse 50 drehbar, die parallel zu und distal von der Steuerwellenachse 36 verläuft. Eine obere Pleuelstange 52 weist ein erstes Ende 54, das drehbar mit der Verbindungsstange 40 und ein zweites Ende 56, das drehbar mit dem Kolben 16 verbunden ist, auf.
Eine Phasenverstellvorrichtung 58 wird durch den Motorblock 12 zwischen der Kurbelwelle 28 und der Steuerwelle 34 getragen und verbindet diese. Die Phasenverstellvorrichtung 58 ist angepasst, um die Drehzahl der Steuerwelle 34 relativ zu der Kurbelwelle 28 selektiv zu ändern und den Totraum innerhalb der Zylinderbohrung 14 über dem Kolben 16 zu verändern.
Unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet die Phasenverstellvorrichtung 58 eine Vorgelegewelle 60, die um eine Vorgelegeachse 62 drehbar ist, die parallel und beabstandet zur Kurbelwellenachse 30 und zur Steuerwellenachse 36 ist. Ein Elektromotor 64 ist mit der Vorgelegewelle 60 verbunden und dreht die Vorgelegewelle 60 selektiv um die Vorgelegeachse 62. Ein Getriebe 66 ist koaxial auf der Vorgelegewelle 60 montiert. Ein Kurbelzahnrad 68 ist auf dem Getriebe 66 koaxial zur Vorgelegewelle 60 gelagert. Ein Steuerwellenzahnrad 70 ist koaxial auf der Vorgelegewelle 60 distal von dem Kurbelzahnrad 68 montiert.
Das Antriebszahnrad 32 ist fest auf der Kurbelwelle 28 montiert und dreht sich zusammen mit der Kurbelwelle 28. Das Antriebszahnrad 32 greift in das Kurbelzahnrad 68 ein und überträgt die Drehung der Kurbelwelle 28 auf die Vorgelegewelle 60. Das Abtriebszahnrad 38 ist fest auf der Steuerwelle 34 und das Steuerwellenzahnrad 70 fest auf der Vorgelegewelle 60 montiert. Wenn sich die Kurbelwelle 28 dreht, wird die Drehbewegung von der Kurbelwelle 28 durch das Antriebszahnrad 32, das Kurbelzahnrad 68 und das Getriebe 66 übertragen, um die Vorgelegewelle 60 zu drehen. Wenn sich die Vorgelegewelle 60 dreht, wird die Drehbewegung von der Vorgelegewelle 60 durch das Steuerwellenzahnrad 70 und das Abtriebszahnrad 38 zum Drehen der Steuerwelle 34 übertragen. Auf diese Weise dreht sich die Steuerwelle 34 in Bezug auf die Kurbelwelle 28.
Das Getriebe 66 ist so angepasst, dass sich die Drehzahl der Vorgelegewelle 60 relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads 68 ändern kann, wenn der Elektromotor 64 auf die Vorgelegewelle 60 wirkt. Es ist zu verstehen, dass das Getriebe 66 jede hochübersetzte Vorrichtung sein kann, die geeignet ist, das Kurbelzahnrad 68 und die Vorgelegewelle 60 miteinander zu verbinden. Das Getriebe kann beispielsweise ein harmonischer Antrieb, ein Planetengetriebe oder ein Rollenuntersetzungsgetriebe sein. Diese Beispiele haben exemplarischen Charakter und sollen den Umfang dieser Offenbarung nicht einschränken.
Der Elektromotor 64 kann eine Drehung der Vorgelegewelle 60 in einer ersten Richtung, im Uhrzeigersinn, oder in einer zweiten Richtung, gegen den Uhrzeigersinn, bewirken. Die Vorgelegewelle 60 dreht sich bei einer gegebenen Drehzahl durch den Antrieb des Kurbelzahnrads 68. Falls der Elektromotor 64 wirkt, um die Vorgelegewelle 60 in die gleiche Richtung zu drehen, in der sich die Vorgelegewelle 60 bereits dreht, führt die zusätzliche Drehung durch den Elektromotor 64 dazu, dass das Vorgelegezahnrads 60 beschleunigt. Alternativ, falls der Elektromotor 64 wirkt, um die Vorgelegewelle 60 in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, wirkt die Kraft des Elektromotors 64 der Drehung der Vorgelegewelle 60 entgegen und bewirkt, dass die Vorgelegewelle 60 verlangsamt wird. Somit kann der Elektromotor 64 selektiv die Drehzahl der Vorgelegewelle 60, und damit die Drehzahl der Steuerwelle 34, gegenüber der Drehzahl der Kurbelwelle 28 beschleunigen oder verlangsamen.
Die Verbindungsstange 40 ist drehbar auf der Kurbelwelle 28 gelagert und gegenüber der Kurbelwelle 28 um die Verbindungsstangenachse 42 drehbar. Die exzentrische Verbindung zwischen der Verbindungsstange 40 und der Kurbelwelle 28 bewirkt, dass sich die Verbindungsstange 40 beim Drehen der Kurbelwelle 28 bewegt. Das erste Ende 46 der unteren Pleuelstange 44 ist drehbar mit der Verbindungsstange 40 verbunden, und das zweite Ende 48 ist drehbar mit der Steuerwelle 34 verbunden. Die untere Pleuelstange 44 ist gegenüber der Steuerwelle 34 um die untere Verbindungsstangenachse 42 drehbar. Durch die exzentrische Verbindung des zweiten Endes 48 der unteren Pleuelstange 48 und der Steuerwelle 34 bewirkt die Drehung der Steuerwelle 34 um die Steuerwellenachse 36, dass die untere Pleuelstange 44 auf die Verbindungsstange 40 wirkt und das Muster oder den Weg der Verbindungsstange 40 beeinflusst.
Die Bewegung der Verbindungsstange 40 durch die Drehung der Kurbelwelle 28 und die Eingabe aus der Drehung der Steuerwelle 34 steuert die Hin- und Herbewegung des Kolbens 16 innerhalb der Zylinderbohrung 14. Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Motorzyklus 18 eines Verbrennungsmotors 10 grafisch dargestellt. Die Position des Kolbens 16 wird im Allgemeinen entlang einer vertikalen Achse 72 und die Stufe oder Zeitdauer des Zyklus wird im Allgemeinen entlang einer horizontalen Achse 74 angezeigt. Eine obere Totpunktposition 76 ist die Position des Kolbens 16 am Ende eines Auslasshubs 78 und am Anfang eines Einlasshubs 80. 4 ist eine grafische Darstellung eines vollständigen Zyklus des Kolbens 16. Die obere Totpunktposition 76 des Kolbens 16 am Ende des Auslasshubs 78 und am Anfang des Einlasshubs 80 erfolgt sowohl am äußerst linken als auch am äußerst rechten Ende des Motorzyklus 18.
Ausgehend von der oberen Totpunktposition 76 des Kolbens 16 auf der äußerst linken Seite des Motorzyklus 18 bewegt sich der Kolben 16 innerhalb der Zylinderbohrung 14 nach unten und beginnt den Einlasshub 80. Während des Einlasshubs wird ein Einlassventil im Zylinderkopf geöffnet, damit Kraftstoff und Verbrennungsluft in die Zylinderbohrung 14 gelangen können. Das Ende des Einlasshubs 80 erfolgt bei Punkt 82. Während des Einlasshubs 80 ist der Abstand, den der Kolben 16 zwischen der oberen Totpunktposition 76 und dem Ende des Einlasshubs 82 zurücklegt, eine Einlasshublänge 84. Am Ende des Einlasshubs 82 schließt das Einlassventil und der Kolben 16 ändert die Richtung und beginnt sich innerhalb der Zylinderbohrung 14 nach oben zu bewegen, wobei der Kolbenverdichtungshub 20 beginnt. Der Kolbenverdichtungshub 20 endet an Punkt 86. Der Abstand, den der Kolben 16 während des Verdichtungshubs 20 zurücklegt, ist die Verdichtungshublänge 22.
Am Ende des Kolbenverdichtungshubs 20 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und der Kolben 16 beginnt sich nach unten zu bewegen und beginnt den Kolbenexpansionshub 24. Während des Kolbenexpansionshubs 24 dehnt sich das entzündete Kraftstoff-Luft-Gemisch schnell aus und drückt den Kolben 16 innerhalb der Zylinderbohrung 14 nach unten. Das Ende des Kolbenexpansionshubs 24 erfolgt am Punkt 88. Die Expansionshublänge 26 ist der Abstand, den der Kolben 16 innerhalb der Zylinderbohrung 14 während des Kolbenexpansionshubs 24 zurücklegt. Gegen Ende 88 des Kolbenexpansionshubs 24 wird im Zylinderkopf ein Auslassventil geöffnet und der Kolben 16 beginnt sich in der Zylinderbohrung 14 nach oben zu bewegen, um die verbrannten Gase durch das Auslassventil zum Ausstoß zu zwingen. Damit beginnt der Auslasshub 78. Das Ende des Abgashubs erfolgt in der oberen Totpunktposition 76 des Kolbens 16, dargestellt äußerst rechts im Motorzyklus 18. Der Abstand, den der Kolben 16 während des Auslasshubs 78 innerhalb der Zylinderbohrung 16 zurücklegt, ist die Auslasshublänge 90.
Im stationären Zustand (Beharrungszustand) ist die Drehzahl der Steuerwelle 34 relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle 28 konstant und die Position des zweiten Endes 48 der unteren Pleuelstange 44 relativ zu irgendeinem bestimmten Punkt im Motorzyklus 18 ist immer in der gleichen Position. Der Elektromotor 64 der Phasenverstellvorrichtung 58 kann verwendet werden, um die Drehzahl der Steuerwelle 34 relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle 28 vorübergehend zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Anschließend wird der Elektromotor 64 abgeschaltet, die Drehzahl der Steuerwelle 34 relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle 28 ist wieder konstant. Nach vorübergehender Änderung der Drehzahl der Steuerwelle relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle wird jedoch die Position des zweiten Endes 48 der unteren Pleuelstange 44 rotationsverschoben oder „phasenverstellt“ oder „phasenverschoben“. Das bedeutet, dass die Drehposition des zweiten Endes 48 der Pleuelstange 44 um die Steuerwellenachse 36 relativ zu der Position der Kurbelwelle 28 an einem beliebigen Punkt während des Motorzyklus 18 nach der Phasenverstellung von der Drehposition des zweiten Endes 48 der Pleuelstange 44 um die Steuerwellenachse 36 relativ zu der Position der Kurbelwelle 28 an demselben Punkt während des Motorzyklus 18 vor der Phasenverstellung abweicht.
Die Verdichtungshublänge 22 ist kleiner als die Expansionshublänge 26. Durch die Änderung der Position der unteren Pleuelstange 44 wird die Bewegung oder der Weg, dem die Verbindungsstange 40 folgt, verändert, was die Verdichtungshublänge 22 ändert, aber wichtiger den Totraum innerhalb der Zylinderbohrung 14 über dem Kolben 16 ändert. Durch Ändern der Verdichtungshublänge 22 des Kolbens 16 wird das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors verändert. Durch Ändern des Totraums wird das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 10, das während des Verdichtungshubs 20 entsteht, reduziert. Eine kleine Änderung des Totraums führt zu einer großen Änderung des Verdichtungsverhältnisses. Dementsprechend kann durch Steuern der Position der unteren Pleuelstange 44 das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 10 gesteuert und zwischen einem hohen Verdichtungsverhältnis bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen und einem niedrigen Verdichtungsverhältnis bei anderen Motorbetriebsbedingungen geändert werden. Der hierin beschriebene Verbrennungsmotor 10 stellt einen Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis zur Verfügung, der die Verwendung eines Atkinson-Zyklus ermöglicht, bei dem die Verdichtungshublänge 22 kleiner als die Expansionshublänge 26 ist, sowohl bei hohen Last- und bei hohen Motordrehzahlbedingungen und bei niedrigen Last- und niedrigen Motordrehzahlbedingungen, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile zu erzielen, die durch den Atkinson-Zyklus für alle Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 10 realisiert werden können.
Das optimale Verhältnis zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 28 und der Drehzahl der Steuerwelle 34 während einem stationären Zustand mag nicht 1:1 sein. In einer exemplarischen Ausführungsform lässt das Getriebe 66 keine Relativdrehung zwischen der Vorgelegewelle 60 und dem Kurbelzahnrad 68 zu, es sei denn, es erfolgt eine Eingabe durch den Elektromotor 64. Das Kurbelzahnrad 68, das Getriebe 66, die Vorgelegewelle 60 und das Steuerwellenzahnrad 70 drehen sich einheitlich, es sei denn, der Elektromotor 64 greift ein und bewirkt, dass die Vorgelegewelle 60 gegenüber dem Kurbelzahnrad 68 beschleunigt oder verlangsamt wird. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad 32 und dem Kurbelzahnrad beträgt 2:1, und das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad 70 und dem Abtriebszahnrad 38 beträgt 1:1. In Abwesenheit der Eingabe des Elektromotors 64 dreht sich die Steuerwelle 34 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 28.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform erlaubt das Getriebe 66 keine Relativdrehung zwischen der Vorgelegewelle 60 und dem Kurbelzahnrad 68, es sei denn, es erfolgt eine Eingabe durch den Elektromotor 64. Das Kurbelzahnrad 68, das Getriebe 66 und die Vorgelegewelle 60 drehen sich nicht einheitlich, aber das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 66 ist 1:1, es sei denn, der Elektromotor 64 greift ein und bewirkt, dass die Vorgelegewelle 60 gegenüber dem Kurbelzahnrad 68 beschleunigt oder verlangsamt wird. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad 32 und dem Kurbelzahnrad beträgt 2:1, und das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad 70 und dem Abtriebszahnrad 38 beträgt 1:1. In Abwesenheit der Eingabe des Elektromotors 64 dreht sich die Steuerwelle 34 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 28.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform weist das Getriebe 66 ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 auf, es sei denn, es erfolgt eine Eingabe durch den Elektromotor 64. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad 32 und dem Kurbelzahnrad 68 beträgt 1:1, und das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad 70 und dem Abtriebszahnrad 38 beträgt 1:1. In Abwesenheit der Eingabe des Elektromotors 64 dreht sich die Steuerwelle 34 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 28.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich exemplarischer Natur und Abweichungen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegen. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Verbrennungsmotor, umfassend: einen Motorblock, der eine Zylinderbohrung definiert; einen Kolben, der gleitend innerhalb der Zylinderbohrung gelagert ist, wobei der Kolben während eines Motorzyklus hin- und herbewegt innerhalb der Zylinderbohrung gleitet, wobei der Motorzyklus einen Kolbenverdichtungshub mit einer Verdichtungshublänge und einen Kolbenexpansionshub mit einer Expansionshublänge enthält; eine Kurbelwelle, die drehbar durch den Motorblock gelagert und um eine Kurbelachse drehbar ist; eine Steuerwelle, die innerhalb des Motors drehbar gelagert und um eine Steuerachse drehbar ist, wobei die Steuerachse parallel zu und distal von der Kurbelachse ist; eine Verbindungsstange, die drehbar und exzentrisch mit der Kurbelwelle verbunden ist; eine untere Pleuelstange mit einem ersten Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und einem zweiten Ende, das drehbar und exzentrisch mit der Steuerwelle verbunden ist; eine obere Pleuelstange mit einem ersten Ende, das drehbar mit der Verbindungsstange verbunden ist, und einem zweiten Ende, das drehbar mit dem Kolben verbunden ist; und eine Phasenverstellvorrichtung, die innerhalb des Motors zwischen der Kurbelwelle und der Steuerwelle gelagert ist und diese miteinander verbindet; wobei die Phasenverstellvorrichtung selektiv die Drehzahl der Steuerwelle relativ zu der Kurbelwelle ändert und die Verdichtungshublänge des Kolbenverdichtungshubs ändert.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Antriebszahnrad, das koaxial auf der Kurbelwelle montiert ist, und ein Abtriebszahnrad, das koaxial auf der Steuerwelle montiert ist, wobei die Phasenverstellvorrichtung eine um eine Achse drehbare Vorgelegewelle, ein koaxial auf der Vorgelegewelle montiertes Getriebe, ein auf dem Getriebe koaxial zur Vorgelegewelle getragenes Kurbelzahnrad, und ein Steuerwellenzahnrad, das koaxial auf der Vorgelegewelle distal von dem Kurbelzahnrad montiert ist beinhaltet, und wobei das Antriebszahnrad in das Kurbelzahnrad eingreift und die Drehung der Kurbelwelle auf die Vorgelegewelle überträgt, und das Abtriebszahnrad in das Steuerwellenzahnrad eingreift und die Drehung der Vorgelegewelle auf die Steuerwelle überträgt.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsstange relativ zu der Kurbelwelle um eine Achse drehbar ist, die parallel zu und distal von der Kurbelachse verläuft.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei die untere Pleuelstange in Bezug auf die Steuerwelle um eine Achse drehbar ist, die parallel zu und distal von der Steuerachse verläuft.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei die Phasenverstellvorrichtung einen Elektromotor beinhaltet, der mit der Vorgelegewelle verbunden und zum Drehen der Vorgelegewelle ausgestaltet ist.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei das Getriebe angepasst ist, zuzulassen, dass sich die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads ändert, wenn die Vorgelegewelle durch den Elektromotor gedreht wird.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der Elektromotor angepasst ist, um eine Drehung der Vorgelegewelle in eine erste Richtung, wobei die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads erhöht ist, oder in eine zweite Richtung, wobei die Drehzahl der Vorgelegewelle relativ zu der Drehzahl des Kurbelzahnrads verringert ist, zu bewirken.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei sich ohne Eingabe des Elektromotors das Kurbelzahnrad, das Getriebe, die Vorgelegewelle und das Steuerwellenzahnrad einheitlich drehen.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Kurbelzahnrad 2: 1 ist, und ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad und dem Abtriebszahnrad 1:1 ist, und wobei, wenn keine Eingabe vom Elektromotor vorhanden ist, die Steuerwelle sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Kurbelzahnrad 2:1 ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Steuerwellenzahnrad und dem Abtriebszahnrad 1:1 ist, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 1:1 ist, und wobei ohne Eingabe des Elektromotors die Steuerwelle sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht.