DE102020101381A1

DE102020101381A1 - Verbrennungsmotor mit einem variablen verdichtungsverhältnis mit einem hydraulisch betätigten verriegelungssystem

Info

Publication number: DE102020101381A1
Application number: DE102020101381.7A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Chottiner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-07-23
Also published as: CN111456848A; US20200232384A1; US10746095B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis mit einem hydraulisch betätigten Verriegelungssystem bereit Es werden Verfahren und Systeme für einen VCR-Verbrennungsmotor bereitgestellt. In einem Beispiel beinhaltet der VCR-Verbrennungsmotor einen VCR-Mechanismus, der die Motorkolben bei einem hohen Verdichtungsverhältnis oder einem niedrigen Verdichtungsverhältnis unter Verwendung von Verriegelungsstiften, die mit Exzentern Eingriff treten, mechanisch verriegelt. Die Bewegung der Verriegelungsstifte kann durch ein Ventil betätigt werden, das den Hydraulikdruck in dem VCR-Mechanismus steuert, wobei das Variieren des Hydraulikdrucks das Ineingrifftreten/Lösen des Eingriffs der Verriegelungsstifte anpasst.

Description

GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme für einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In einem herkömmlichen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ist ein Zylinderverdichtungsverhältnis (compression ratio - CR) feststehend, wobei sich ein Kolben während jedes Verbrennungszyklus zwischen einem konsistenten oberen Totpunkt (OT) und unteren Totpunkt (UT) bewegt. Wenn das CR auf ein niedriges Verhältnis eingestellt ist, um während des Verbrennungsmotorbetriebs eine maximale Leistung zu liefern, kann das niedrige CR zu einer unerwünschten Verbrennung von überschüssigem Kraftstoff bei leichten Verbrennungsmotorlasten und -drehzahlen führen. Im umgekehrten Fall kann, wenn das CR auf ein hohes Verhältnis eingestellt ist, um eine Kraftstoffeffizienz zu priorisieren, eine Leistungsausgabe des Verbrennungsmotors beeinträchtigt werden, wenn ein erhöhtes Drehmoment angefordert wird.
Um die vorstehenden Probleme zu verringern, kann ein Verbrennungsmotor als Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR) ausgelegt und mit verschiedenen Mechanismen zum (z. B. mechanischen) Verändern des Volumenverhältnisses zwischen dem OT des Kolbens und dem UT des Kolbens ausgestattet sein. Somit kann das CR angepasst werden, wenn sich die Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen ändern. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann ein VCR-Verbrennungsmotor mit einem Nachrüst-VCR-System ausgelegt sein, das eine mechanische Hubraumänderungsvorrichtung (z. B. einen Exzenter) beinhaltet, die den Kolben näher zum Zylinderkopf oder weiter weg davon bewegt, wodurch die Größe der Brennkammern geändert wird. Noch andere Verbrennungsmotoren können ein Zylinderkopfvolumen mechanisch verändern. Das Nachrüst-VCR-System kann die Neukonfigurierung eines Verbrennungsmotors mit einem feststehenden Verdichtungsverhältnis ermöglichen, um ein anpassbares Verdichtungsverhältnis zu erhalten, das gemäß den Verbrennungsmotorbetrieben variiert wird, wodurch die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs erhöht wird.
In einigen Nachrüst-VCR-Systemen kann der Exzenter, der zum Verändern der Kolbenposition verwendet wird, durch ein Getriebesystem gesteuert werden. Das Getriebesystem kann sich drehen und wiederum den Exzenter drehen, was zu Variationen der Kolbenhöhe führt. Reibung zwischen Komponenten des Getriebesystems kann jedoch unerwünschte Geräusche erzeugen, während sich das Getriebesystem dreht, was zu Problemen mit Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (Noise, Vibration and Harshness - NVH) führt. Des Weiteren kann ein Aktor, der die Bewegung des Getriebesystems antreibt, kostspielig sein, Platz in einem ohnehin begrenzten Raum einnehmen und das Gewicht des Verbrennungsmotors erhöhen.
Ein beispielhafter Ansatz, um NVH- und Aktorprobleme anzugehen ist in der chinesischen Patentanmeldung Nr. CN 205638695 gezeigt. Darin beinhaltet ein VCR-System eine Stangenanordnung, die mit einem Kolben verbunden ist, wobei eine Bewegung der Stangenanordnung durch eine Exzenterbuchse betätigt wird. Die Exzenterbuchse ist an eine Ende der Stangenanordnung in der Nähe des Kolbens und distal zu einer Kurbelwelle gekoppelt. Eine Höhe des Kolbens wird durch die Exzenterbuchse angepasst und eine Position des Kolbens wird durch einen hydraulisch betätigten Verriegelungsstift erhalten. Der Anpassung des Verbrennungsmotors zwischen einem Zustand mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis und einem Zustand mit einem hohen Verdichtungsverhältnis erfolgt durch Aktivierung einer Ölpumpe, wenn sich der Kolben am OT befindet, Erzeugen von Hydraulikdruck in einer Ölkammer, die einer elastischen Kraft einer Druckfeder entgegenwirkt, wodurch der Verriegelungsstift aus einem ersten Verriegelungsloch in der Exzenterbuchse gezogen wird. Die Exzenterbuchse wird solange drehen gelassen, bis der Kolben sich auf einer gewünschten Höhe befindet. Die Ölpumpe wird deaktiviert, wodurch der Hydraulikdruck abgebaut wird und ermöglicht wird, dass die Druckfeder den Verriegelungsstift in ein zweites Verriegelungsloch schiebt. Wenn der Verriegelungsstift in das zweite Verriegelungsloch der Exzenterbuchse eingeführt ist, wird eine Position der Exzenterbuchse und die Kolbenhöhe erhalten. Das Verdichtungsverhältnis wird ohne Weiteres zwischen einem hohen Verhältnis und einem niedrigen Verhältnis variiert, ohne auf ein komplexes mechanisches Betätigungssystem angewiesen zu sein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel wird durch Koppeln der Exzenterbuchse an das Ende des Pleuels, das an den Kolben gekoppelt ist, die Exzenterbuchse an einem schmalen Ende des Pleuels, das z. B. kleiner als ein gegenüberliegendes Ende ist, positioniert. Das Hinzufügen der Exzenterbuchse zu dem schmalen Ende des Pleuels führt zu einem zusätzlichen sich hin- und herbewegenden Gewicht, das zu einer Massenunwucht während der Drehung einer Kurbelwelle führen kann. Ein Ungleichgewicht von Massen an der Kurbelwelle kann zu NVH-Problemen beitragen, besonders bei hohen Verbrennungsmotordrehzahlen. Um Kräften, die sich aus dem hin- und herbewegenden Gewicht ergeben, entgegenzuwirken, können eine oder mehrere Ausgleichswellen zu dem Verbrennungsmotor hinzugefügt werden oder, wenn der Verbrennungsmotor bereits über eine Ausgleichswelle verfügt, kann eine Größe des Ausgleichs erhöht werden. Die eine oder die mehreren Ausgleichswellen können Reibung erzeugen, deren Überwindung Kraftstoffenergie verbraucht, wodurch Kraftstoffeffizienzvorteile, die durch Umsetzung des VCR-Systems erhalten werden, aufgehoben werden und die Kosten, die Komplexität und das Gewicht des Verbrennungsmotors erhöht werden.
KURZDARSTELLUNG
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch ein Verfahren für einen Mechanismus mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (VCR) angegangen werden, der Folgendes beinhaltet: einen Exzenter mit einer ersten Arretierung und einer zweiten Arretierung, wobei die erste und die zweite Arretierung auf gegenüberliegenden Seiten des Exzenters angeordnet sind und 180 Grad relativ zueinander um einen Umfang des Exzenters positioniert sind, wobei der Exzenter dazu ausgelegt ist, zwischen einer verriegelten Position und einer entriegelten Position angepasst zu werden, einen ersten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die erste Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer ersten Ölkammer aufgenommen ist, einen zweiten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die zweite Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer zweiten Ölkammer aufgenommen ist, und ein Ventil, das fluidisch an die erste Ölkammer und die zweite Ölkammer gekoppelt ist.
Auf diese Weise kann das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ohne Änderungen an dem Verbrennungsmotorblock und ohne Herbeiführen von NVH-Problemen oder Umsetzung eines kostspieligen und komplexen Systems, um die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses zu betätigen und dem Verbrennungsmotor ein Massengleichgewicht bereitzustellen, variiert werden.
Als ein Beispiel kann ein VCR-Verbrennungsmotor Exzenter beinhalten, die drehbar an Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt sind. Jeder der Exzenter ist mit einem Kolben durch einen Pleuel verbunden, der an einem zu dem Kolben distalen Ende des Pleuels angeordnet ist und sich zwischen dem Exzenter und einer Basis des Kolbens erstreckt. Die Exzenter können mit einem ersten Schlitz und einem zweiten Schlitz ausgelegt sein, die dazu ausgelegt sind, mit einem ersten Verriegelungsstift bzw. einem zweiten Verriegelungsstift ineinanderzugreifen. Die Exzenter können alternativ durch Eingreifen des ersten Verriegelungsstifts in den ersten Schlitz in einer ersten Position oder durch Eingreifen des zweiten Verriegelungsstifts in den zweiten Schlitz in einer zweiten Position verriegelt werden. Die erste Position und die zweite Position entsprechen unterschiedlichen Kolbenhöhen und demnach unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen. Die Bewegung der Verriegelungsstifte wird durch Hydraulikdruck gesteuert, der durch Ölbehälter bereitgestellt wird, wodurch eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses unter Verwendung eines einfachen Systems ermöglicht wird, das keine NVH-Effekte erzeugt und keine Massenunwucht in dem Verbrennungsmotor bewirkt.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung genauer beschrieben werden. Sie ist nicht dazu gedacht, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands festzustellen, dessen Umfang einzig durch die Patentansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt ist, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile beheben.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel eines Verbrennungsmotorsystems, in dem ein Verdichtungsverhältnis durch einen Mechanismus mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (VCR) variiert werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle, die in dem Verbrennungsmotorsystem aus 1 an den VCR-Mechanismus gekoppelt enthalten sein kann, in einer ersten Konfiguration.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Kurbelwelle aus 2, wobei der VCR-Mechanismus sich in einer zweiten Konfiguration befindet.
4 zeigt einen Querschnitt eines Exzenter, der in dem VCR-Mechanismus enthalten ist, in einer ersten Position.
5 zeigt den Querschnitt des Exzenters in einer zweiten Position.
6 zeigt eine Profilansicht des Exzenters.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ventils, das den Hydraulikdruck in dem VCR-Mechanismus anpasst, in einer ersten Position.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Ventils aus 7 in einer zweiten Position.
9 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zum Anpassen eines Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, der mit einem VCR-Mechanismus ausgelegt ist.
10 zeigt beispielhafte Vorgänge des VCR-Verbrennungsmotors während Ereignissen, in denen das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors gemäß den Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen angepasst wird.

Die 4-8 sind annähernd maßstabsgetreu gezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Methoden für einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR). Der VCR-Verbrennungsmotor kann eine Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs erhöhen, indem er ermöglicht, dass ein Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors variiert wird, wenn sich die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors ändern. Das Verdichtungsverhältnis kann zwischen einem relativ hohen Verhältnis und einem relativ niedrigen Verhältnis angepasst werden, um eine Verbrennungsmotorleistungsausgabe bereitzustellen, die mit einem Drehmomentbedarf übereinstimmt, während eine Wahrscheinlichkeit eines Klopfens des Verbrennungsmotors verringert wird. Bei geringen Verbrennungsmotorlasten und -drehzahlen kann eine Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors durch Anpassen des Verdichtungsverhältnisses verbessert werden. Ein Verbrennungsmotorsystem, das einen VCR-Mechanismus zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses beinhalten kann, ist in 1 gezeigt. Das Verdichtungsverhältnis kann auf Grundlage einer Kombination von Hydraulikdruck und mechanischen Verriegelungsvorrichtungen angepasst werden. Das Verbrennungsmotorsystem kann eine nichtlineare Kurbelwelle aufweisen, die eine Vielzahl von Kurbelzapfen beinhaltet, wie in den 2 und 3 gezeigt. Jeder der Kurbelzapfen kann an einen Exzenter gekoppelt sein, wobei der Exzenter eine Kolbenhöhe in Abhängigkeit von einer Ausrichtung des Exzenters in Bezug auf den Kurbelzapfen variiert. Der Exzenter kann in eine erste Position angepasst werden, wie in 2 gezeigt und in 4 ausführlicher dargestellt. Der Exzenter kann außerdem in eine zweite Position angepasst werden, wie in 3 gezeigt und in 5 ausführlicher dargestellt. Eine Profilansicht des Exzenters ist in 6 veranschaulicht und zeigt eine Vorspannung einer Platzierung einer Öffnung, die sich durch den Exzenter erstreckt. Der Exzenter kann in die erste Position oder die zweite Position durch mechanische Verriegelungsstifte verriegelt werden, die in sich hin- und herbewegende Schlitze oder Arretierungen in dem Exzenter oder aus diesen heraus gleiten. Die Bewegung der Verriegelungsstifte kann durch ein Ventil betätigt werden, das einen Magneten beinhaltet und die fluidische Kommunikation des VCR-Mechanismus mit Ölbehältern anpasst, um einen durch die Ölbehälter bereitgestellten Hydraulikdruck zu nutzen. Das Ventil ist in 7 in einer ersten Position und in 8 in einer zweiten Position gezeigt, die einem hohen Verdichtungsverhältnis bzw. einem niedrigen Verdichtungsverhältnis entsprechen. Die Verwaltung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors über den VCR-Mechanismus während des Verbrennungsmotorbetriebs ist in einem Beispiel eines Verfahren zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses in 9 beschrieben. Beispielhafte Betriebe von Elementen des VCR-Mechanismus als Reaktion auf eine Verbrennungsmotorlast und - ladung sind in einem Zeitachsendiagramm aus 10 gezeigt.
Die 1 - 8 zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn derartige Elemente so gezeigt sind, dass sie einander direkt berühren oder direkt miteinander gekoppelt sind, können sie zumindest in einem Beispiel als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander anliegend oder zueinander benachbart gezeigt sind, zumindest in einem Beispiel aneinander anliegend bzw. zueinander benachbart sein. Als ein Beispiel können Komponenten, die in flächenteilendem Kontakt miteinander stehen, als in flächenteilendem Kontakt bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei sich nur ein Abstand dazwischen befindet und keine anderen Komponenten, in zumindest einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein anderes Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an entgegengesetzten Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, in Bezug aufeinander als solche bezeichnet werden. Außerdem kann, wie in den Figuren gezeigt, zumindest in einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Im vorliegenden Zusammenhang können sich Oberseite/Unterseite, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, die Positionen von Elementen der Figuren in Bezug aufeinander zu beschreiben. Demnach sind Elemente, die über anderen Elementen gezeigt sind, in einem Beispiel vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein anderes Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren dargestellt sind, als diese Formen aufweisend bezeichnet werden (wie z. B. als rund, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen). Ferner können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, in zumindest einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Noch ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennkammer (hier auch als „Zylinder“ bezeichnet) 14 eines Verbrennungsmotors 10 dar, der in einem Personenkraftwagen 5 enthalten sein kann. Der Verbrennungsmotor 10 kann Steuerungsparameter von einem Steuersystem, das eine Steuerung 12 beinhaltet, und Eingaben von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 empfangen. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder 14 des Verbrennungsmotors 10 kann Brennkammerwände 136 mit einem darin positionierten Kolben 138 beinhalten. Der Kolben 138 kann an eine Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, sodass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem 54 an mindestens ein Fahrzeugrad 55 des Personenkraftwagens gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Anlassvorgang des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen.
Der Verbrennungsmotor 10 kann als VCR-Verbrennungsmotor ausgelegt sein, wobei das Verdichtungsverhältnis (CR) jedes Zylinders - ein Verhältnis eines Zylindervolumens, wenn sich der Kolben am unteren Totpunkt (UT) befindet, zu einem Zylindervolumen, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt (OT) befindet - mechanisch verändert werden kann. Das CR des Verbrennungsmotors kann über einen VCR-Mechanismus 194 variiert werden. In einigen Beispielen kann das CR zwischen einem ersten, niedrigeren CR (bei dem das Verhältnis des Zylindervolumens, wenn sich der Kolben am UT befindet, zu dem Zylindervolumen, wenn sich der Kolben am OT befindet, kleiner ist) und einem zweiten, höheren CR (bei dem das Verhältnis höher ist) variiert werden. In noch anderen Beispielen, kann es eine vordefinierte Anzahl gestufter Verdichtungsverhältnisse zwischen dem ersten, niedrigeren CR und dem zweiten, höheren CR geben. Des Weiteren kann das CR zwischen dem ersten, niedrigeren CR und dem zweiten, höheren CR (auf ein beliebiges CR dazwischen) kontinuierlich variabel sein.
In dem dargestellten Beispiel ist der VCR-Mechanismus 194 derart an den Kolben 138 gekoppelt, dass der VCR-Mechanismus die OT-Position des Kolbens ändern kann. Zum Beispiel kann der Kolben 138 über den VCR-Mechanismus 194 an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, wobei es sich um einen Mechanismus zur Änderung der Kolbenposition handeln kann, der den Kolben näher zu dem Zylinderkopf oder weiter davon wegbewegen kann, womit die Position des Kolbens und dadurch die Größe der Brennkammer 14 geändert wird. Ein Positionssensor 196 kann an den VCR-Mechanismus 194 gekoppelt sein und kann dazu ausgelegt sein, der Steuerung 12 Rückkopplung hinsichtlich der Position des VCR-Mechanismus 194 (und dadurch des CR des Zylinders) bereitzustellen.
In einem Beispiel ändert sich durch die Änderung der Position des Kolbens innerhalb der Brennkammer auch der relative Hub des Kolbens innerhalb des Zylinders. Der VCR-Mechanismus zur Änderung der Kolbenposition kann an ein herkömmliches Kurbelgetriebe oder ein nicht herkömmliches Kurbelgetriebe gekoppelt sein. Nichteinschränkende Beispiele für ein nichtherkömmliches Kurbelgetriebe, an das der VCR-Mechanismus gekoppelt sein kann, beinhalten Kurbelwellen mit variablem Abstand zum Zylinderkopf und Kurbelwellen mit variabler kinematischer Länge. In einem Beispiel kann die Kurbelwelle 140 als eine Exzenterwelle ausgelegt sein. In einem anderen Beispiel kann ein Exzenter an einen Kolbenbolzen oder in dessen Bereich gekoppelt sein, wobei der Exzenter die Position des Kolbens innerhalb der Brennkammer ändert. Die Bewegung des Exzenters kann durch Ölkanäle in der Kolbenstange gesteuert werden.
In einem Beispiel kann der VCR-Mechanismus 194 eine erste Komponente beinhalten, die die Position des Kolbens variiert, und eine zweite Komponenten, die die Position des Kolbens durch Verriegeln des VCR-Mechanismus 194 erhält. Die zweite Komponenten kann auf Grundlage von Hydraulikdruck, der durch Ölbehälter in dem Verbrennungsmotor 10 bereitgestellt wird, betätigt werden. Demnach ist der VCR-Mechanismus der Darstellung nach an einen Hochdruckölbehälter 191 und einen Niederdruckölbehälter 193 gekoppelt. Weitere Details des VCR-Mechanismus 194 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2-8 erörtert.
Es versteht sich, dass der VCR-Verbrennungsmotor im vorliegenden Zusammenhang dazu ausgelegt sein kann, das CR des Verbrennungsmotors über mechanische Anpassungen anzupassen, die eine Kolbenposition oder ein Zylinderkopfvolumen variieren. Demnach beinhalten VCR-Mechanismen keine CR-Anpassungen, die über Anpassungen einer Einlass-/Auslassventilansteuerung oder einer Nockensteuerung erreicht werden.
Durch Anpassen der Position des Kolbens innerhalb des Zylinders kann ein effektives (statisches) Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors (z. B. eine Differenz zwischen den Zylindervolumen am OT relativ zum UT) variiert werden. In einem Beispiel beinhaltet ein Reduzieren des Verdichtungsverhältnisses ein Reduzieren einer Verschiebung des Kolbens innerhalb der Brennkammer durch ein Erhöhen des Abstands zwischen der Oberseite des Kolbens und dem Zylinderkopf. Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor mit einem ersten, niedrigeren Verdichtungsverhältnis betrieben werden, indem der VCR-Mechanismus 194 in eine erste Position angepasst wird, in der der Kolben einen kleineren effektiven Hub innerhalb der Brennkammer aufweist. Als ein anderes Beispiel kann der Verbrennungsmotor mit einem zweiten, höheren Verdichtungsverhältnis betrieben werden, indem der VCR-Mechanismus 194 in eine zweite Position angepasst wird, in der der Kolben einen größeren effektiven Hub innerhalb der Brennkammer aufweist. Änderungen des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors können auf vorteilhafte Weise zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz verwendet werden. Zum Beispiel kann das höhere Verdichtungsverhältnis zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz bei leichten bis moderaten Motorlasten verwendet werden, bis Spätzündung durch frühes Einsetzen von Klopfen den Kraftstoffeffizienzvorteil schmälert. Der Verbrennungsmotor kann dann auf das niedrigere Verdichtungsverhältnis umgestellt werden, wodurch thermische Effizienz gegen Effizienz der Verbrennungslage getauscht wird. Im Vergleich dazu kann das niedrigere Verdichtungsverhältnis ausgewählt werden, um die Leistung bei mittleren bis hohen Motorlasten zu verbessern. Systeme mit kontinuierlichem VCR können die Effizienz der Verbrennungslage und die thermische Effizienz kontinuierlich optimieren, um das beste Verdichtungsverhältnis zwischen den Grenzwerten des höheren Verdichtungsverhältnisses und des niedrigeren Verdichtungsverhältnisses bei den gegebenen Betriebsbedingungen bereitzustellen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann der Zylinder 14 über eine Reihe von Ansaugluftkanälen 142, 144 und 146 Ansaugluft aufnehmen. Der Ansaugluftkanal 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Verbrennungsmotors 10 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der Ansaugkanäle eine Aufladevorrichtung, wie etwa einen Turbolader oder einen Kompressor, beinhalten. Zum Beispiel zeigt 1 den Verbrennungsmotor 10, der mit einem Turbolader 175 ausgelegt ist, der einen zwischen den Ansaugkanälen 142 und 144 angeordneten Verdichter 174 und eine entlang eines Abgaskanals 148 angeordnete Abgasturbine 176 beinhaltet. Der Kompressor 174 kann wie gezeigt zumindest teilweise von der Abgasturbine 176 über eine Welle 180 mit Energie versorgt werden. In anderen Beispielen, wie etwa, wenn der Verbrennungsmotor 10 mit einem Kompressor ausgelegt ist, kann die Abgasturbine 176 optional jedoch weggelassen werden, und der Verdichter 174 kann stattdessen durch mechanische Eingaben von einem Elektromotor des Verbrennungsmotors mit Energie versorgt werden.
Eine Drossel 20, die eine Drosselklappe 164 beinhaltet, kann zwischen dem Ansaugluftkanal 144 und dem Ansaugluftkanal 146 zum Variieren der Durchflussrate und/oder des Drucks der Ansaugluft, die den Verbrennungsmotorzylindern bereitgestellt wird, bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann die Drossel 20 dem Verdichter 174 nachgeschaltet sein, wie in 1 gezeigt, oder sie kann dem Verdichter 174 alternativ vorgeschaltet sein.
Der Abgaskanal 148 kann Abgase zusätzlich zu dem Zylinder 14 von anderen Zylindern des Verbrennungsmotors 10 aufnehmen. Der Darstellung nach ist ein Abgassensor 128 stromaufwärts einer Emissionsbegrenzungsvorrichtung 178 an den Abgaskanal 148 gekoppelt. Der Abgassensor 128 kann ein beliebiger geeignete Sensor zum Bereitstellen einer Angabe eines Abgasluft-Kraftstoff-Verhältnisses (air-fuel ratio - AFR) sein, wie zum Beispiel eine lineare Lambdasonde oder UEGO (Universal- oder Weitbereich-Abgas-Sauerstoff), eine Zweizustands-Lambdasonde oder EGO (wie dargestellt), eine HEGO (beheizte EGO), ein NOx-, ein HC- oder ein CO-Sensor. Bei der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 178 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator (three way catalyst - TWC), eine NO_x-Falle, verschiedene andere Emissionsbegrenzungsvorrichtungen oder Kombinationen davon handeln.
Die Abgastemperatur kann durch einen oder mehrere Temperatursensoren (nicht gezeigt) geschätzt werden, die in dem Abgaskanal 148 angeordnet sind. Alternativ kann eine Abgastemperatur auf Grundlage von Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen, wie etwa Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast, AFR, Zündzeitpunkt usw., abgeleitet werden. Ferner kann eine Abgastemperatur durch einen oder mehrere Abgassensoren 128 bestimmt werden. Es versteht sich, dass die Abgastemperatur alternativ durch eine beliebige Kombination der hier aufgeführten Verfahren zur Temperaturschätzung geschätzt werden kann.
Jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile beinhalten. Zum Beispiel beinhaltet der Zylinder 14 der Darstellung nach ein Einlasstellerventil 150 und ein Auslasstellerventil 156 auf, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10, einschließlich des Zylinders 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile beinhalten, die in einem oberen Bereich des Zylinders angeordnet sind.
Das Einlassventil 150 kann durch die Steuerung 12 durch Nockenbetätigung über ein Nockenbetätigungssystem 151 gesteuert werden. Gleichermaßen kann das Auslassventil 156 durch die Steuerung 12 über ein Nockenbetätigungssystem 153 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 151 und 153 können jeweils eine oder mehrere Nocken beinhalten und eines oder mehrere der folgenden Systeme verwenden: System zur Nockenprofilverstellung (cam profile switching - CPS), variablen Nockenansteuerung (variable cam timing - VCT), variablen Ventilansteuerung (variable valve timing - VVT) und/oder zum variablen Ventilhub (variable valve lift - VVL), die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Einlassventils 150 und Auslassventils 156 kann durch die Ventilpositionssensoren 155 bzw. 157 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlass- und/oder Auslassventil durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 14 alternativ ein Einlassventil, das über elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über Nockenbetätigung einschließlich eines CPS- und/oder VCT-Systems gesteuert wird, beinhalten. In weiteren Ausführungsformen können die Einlass- und Auslassventile durch einen gemeinsamen Ventilaktor oder ein gemeinsames Ventilbetätigungssystem oder einen Aktor oder ein Betätigungssystem zur variablen Ventilansteuerung gesteuert werden.
Der Zylinder 14 kann ein assoziiertes Verdichtungsverhältnis aufweisen, welches, wie vorstehend beschrieben, das Verhältnis von Volumina ist, wenn sich der Kolben 138 am UT und am OT befindet. Herkömmlicherweise liegt das Verdichtungsverhältnis im Bereich von 9:1 bis 10:1. In einigen Beispielen, in denen andere Kraftstoffe verwendet werden, kann das Verdichtungsverhältnis jedoch erhöht sein. Hierzu kann es beispielsweise kommen, wenn Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl oder Kraftstoffe mit einer höheren latenten Verdunstungsenthalpie verwendet werden. Wenn eine Direkteinspritzung verwendet wird, kann das Verdichtungsverhältnis aufgrund von deren Auswirkung auf das Klopfen des Verbrennungsmotors ebenfalls erhöht sein. Das Verdichtungsverhältnis kann ebenfalls auf der Grundlage des Fahrerbedarfs über Anpassungen des VCR-Mechanismus 194 variiert werden, wobei die effektive Position des Kolbens 138 innerhalb der Brennkammer 14 variiert wird. Das Verdichtungsverhältnis kann auf der Grundlage von Rückkopplung von dem Sensor 196 in Bezug auf die Position des VCR-Mechanismus 194 abgeleitet werden.
In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 eine Zündkerze 192 zum Einleiten der Verbrennung beinhalten. Ein Zündsystem 190 kann der Brennkammer 14 über die Zündkerze 192 einen Zündfunken als Reaktion auf ein Vorzündungssignal (spark advance - SA) von der Steuerung 12 unter ausgewählten Betriebsmodi bereitstellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zündkerze 192 jedoch weggelassen werden, wie etwa, wenn der Verbrennungsmotor 10 die Verbrennung durch eine Selbstzündung oder durch das Einspritzen von Kraftstoff initiieren kann, was bei einigen Dieselmotoren der Fall sein kann.
In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen konfiguriert sein, um diesem Kraftstoff bereitzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel beinhaltet der Zylinder 14 der Darstellung nach eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166. Der Darstellung nach ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 direkt an den Zylinder 14 gekoppelt, um Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW, das von der Steuerung 12 über den elektronischen Treiber 168 empfangen wird, direkt in diesen einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Einspritzvorrichtung 166 das bereit, was als Direkteinspritzung (direct injection - „DI“) von Kraftstoff in die Brennkammer 14 bekannt ist. Während 1 die Einspritzvorrichtung 166 als seitliche Einspritzvorrichtung zeigt, kann sich die Einspritzvorrichtung 166 auch oberhalb des Kolbens befinden, wie etwa in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Eine derartige Position kann die Vermischung und Verbrennung verbessern, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis betrieben wird, da einige Kraftstoffe auf Alkoholbasis eine geringere Flüchtigkeit aufweisen. Alternativ kann sich die Einspritzvorrichtung oberhalb und in der Nähe des Einlassventils befinden, um die Vermischung zu verbessern. Der Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 von einem Hochdruckkraftstoffsystem 8 zugeführt werden, das ein/e oder mehrere Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und ein Kraftstoffverteiler beinhalten kann. Alternativ kann der Kraftstoff mit einem geringeren Druck durch eine einstufige Kraftstoffpumpe zugeführt werden, wobei in diesem Fall der Zeitpunkt der Direktkraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts stärker begrenzt sein kann als bei Verwendung eines Hochdruckkraftstoffsystems. Ferner können der eine oder die mehreren Kraftstofftanks, wenngleich nicht gezeigt, einen Druckwandler aufweisen, welcher der Steuerung 12 ein Signal bereitstellt. Es versteht sich, dass die Einspritzvorrichtung 166 in einer alternativen Ausführungsform eine Einlasskanaleinspritzvorrichtung sein kann, die Kraftstoff in den Einlasskanal stromaufwärts von dem Zylinder 14 bereitstellt.
Es versteht sich ferner, dass, während die dargestellte Ausführungsform darstellt, dass der Verbrennungsmotor durch Einspritzen von Kraftstoff über eine einzelne Direkteinspritzvorrichtung betrieben wird, in alternativen Ausführungsformen der Verbrennungsmotor durch Verwendung von zwei oder mehr Einspritzvorrichtungen (zum Beispiel einer Direkteinspritzvorrichtung und einer Saugrohreinspritzvorrichtung pro Zylinder oder zwei Direkteinspritzvorrichtungen/zwei Saugrohreinspritzvorrichtungen pro Zylinder usw.) und durch Variieren einer relativen Einspritzmenge in den Zylinder aus jeder Einspritzvorrichtung betrieben werden kann.
Der Kraftstoff kann dem Zylinder während eines einzigen Zyklus des Zylinders durch die Einspritzvorrichtung zugeführt werden. Ferner kann die Verteilung und/oder die relative Kraftstoffmenge, die aus der Einspritzvorrichtung zugeführt wird, je nach Betriebsbedingungen variieren. Außerdem können bei einem einzelnen Verbrennungsereignis mehrere Einspritzungen des Kraftstoffs pro Zyklus durchgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Verdichtungstakts, Ansaugtakts oder einer beliebigen geeigneten Kombination davon durchgeführt werden, was als Aufteilungseinspritzung bekannt ist. Zudem kann Kraftstoff während des Zyklus eingespritzt werden, um das Luft-KraftstoffVerhältnis (AFR) der Verbrennung einzustellen. Zum Beispiel kann Kraftstoff zum Bereitstellen eines stöchiometrischen AFR eingespritzt werden. Ein AFR-Sensor kann enthalten sein, um eine Schätzung des AFR innerhalb des Zylinders bereitzustellen. In einem Beispiel kann es sich bei dem AFR-Sensor um einen Abgassensor wie etwa eine EGO-Sonde 128 handeln. Durch das Messen einer Sauerstoffmenge im Abgas, die bei mageren Gemischen höher ist und bei fetten Gemischen niedriger ist, kann der Sensor das AFR bestimmen. Demnach kann das AFR als Lambda(λ)-Wert bereitgestellt sein, wobei es sich um ein Verhältnis des bestimmten AFR zu einem stöchiometrischen AFR (z. B. dem AFR für eine vollständige stattfindende Verbrennungsreaktion) für ein gegebenes Gemisch handelt. Somit gibt ein λ-Wert von 1,0 ein stöchiometrisches Gemisch an, während ein λ-Wert unter 1,0 überstöchiometrische Gemische angibt und ein λ-Wert über 1,0 unterstöchiometrische Gemische angibt.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Demnach kann jeder Zylinder gleichermaßen seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), Zündkerze(n) usw. beinhalten.
Kraftstofftanks in dem Kraftstoffsystem 8 können Kraftstoff mit unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften enthalten, wie etwa mit unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen. Diese Unterschieden können unterschiedliche Alkoholgehalte, unterschiedliche Oktanzahlen, unterschiedliche Verdampfungswärmen, unterschiedliche Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen daraus usw. beinhalten.
Die Steuerung 12 ist in 1 als Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als Nur-Lese-Speicher-Chip 110 gezeigt ist, einen Direktzugriffsspeicher 112, einen Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus beinhaltet. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale von an den Verbrennungsmotor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, und zwar zusätzlich zu den zuvor erläuterten Signalen, einschließlich der Messung des eingeleiteten Luftmassenstroms (mass air flow - MAF) von dem Luftmassenstromsensor 122; eines Klopfsensors 90, der zum Erkennen anormaler Zylinderverbrennungsereignisse an jeden Zylinder 14 gekoppelt ist, der Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur (engine coolant temperature - ECT) von dem Temperatursensor 116, der an eine Kühlhülse 118 gekoppelt ist, eines Profilzündungsaufnahmesignals (profile ignition pickup signal - PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 120 (oder anderer Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; einer Drosselstellung (throttle position - TP) von einem Drosselstellungssensor; einem Krümmerabsolutdrucksignal (manifold pressure signal - MAP) von einem MAP-Sensor 124, dem Zylinder-AFR von einem EGO-Sensor 128, einer anomalen Verbrennung von dem Klopfsensor 90 und einem Kurbelwellenbeschleunigungssensor, und einer VCR-Mechanismusposition von dem Positionssensor 196. Das Verbrennungsmotordrehzahlsignal, RPM, kann durch die Steuerung 12 anhand des Signals PIP erzeugt werden. Das MAP-Signal von dem MAP-Sensor 124 kann verwendet werden, um eine Angabe von Vakuum oder Druck in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktoren aus 1 ein, um den Verbrennungsmotorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signale und Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, einzustellen. Zum Beispiel kann die Steuerung auf Grundlage der Verbrennungsmotordrehzahl und -last das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors durch Senden eines Signals an den VCR-Mechanismus 194 anpassen, um den Kolben auf mechanische Weise näher zu dem Zylinderkopf oder weiter weg davon zu bewegen, wodurch ein Volumen der Brennkammer geändert wird.
Auf einem nichtflüchtigen Nur-Lese-Speichermedienspeicher 110 können computerlesbare Daten programmiert sein, die Anweisungen darstellen, die von einer Mikroprozessoreinheit 106 zum Durchführen der nachfolgend beschriebenen Verfahren ausführbar sind, sowie andere Varianten, die vorausgesetzt, jedoch nicht im Einzelnen aufgezählt werden.
In einigen Beispielen kann das Fahrzeug 5 ein Hybridfahrzeug mit mehreren Drehmomentquellen sein, die einem oder mehreren Fahrzeugrädern 55 zur Verfügung stehen. In anderen Beispielen ist das Fahrzeug 5 ein herkömmliches Fahrzeug, das nur über einen Verbrennungsmotor verfügt, oder ein Elektrofahrzeug, das nur über (eine) elektrische Maschine(n) verfügt. In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Fahrzeug 5 den Verbrennungsmotor 10 und eine elektrische Maschine 52. Bei der elektrischen Maschine 52 kann es sich um einen Elektromotor oder einen Motor/Generator handeln. Die Kurbelwelle 140 des Verbrennungsmotors 10 und die elektrische Maschine 52 sind über das Getriebe 54 mit den Fahrzeugrädern 55 verbunden, wenn eine oder mehrere Kupplungen 56 eingekuppelt sind. In dem dargestellten Beispiel ist eine erste Kupplung 56 zwischen der Kurbelwelle 140 und der elektrischen Maschine 52 bereitgestellt und ist eine zweite Kupplung 56 zwischen der elektrischen Maschine 52 und dem Getriebe 54 bereitgestellt. Die Steuerung 12 kann ein Signal an einen Aktor jeder Kupplung 56 senden, um die Kupplung einzukuppeln oder auszukuppeln, um so die Kurbelwelle 140 mit der elektrischen Maschine 52 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder von diesen zu trennen und/oder um die elektrische Maschine 52 mit dem Getriebe 54 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder von diesen zu trennen. Bei dem Getriebe 54 kann es sich um ein Schaltgetriebe, ein Planetenradsystem oder eine andere Getriebeart handeln. Der Antriebsstrang kann verschiedenartig ausgelegt sein, darunter als Parallel-, Serien- oder Serien-Parallel-Hybridfahrzeug.
Die elektrische Maschine 52 nimmt elektrische Leistung aus einer Traktionsbatterie 58 auf, um den Fahrzeugrädern 55 Drehmoment bereitzustellen. Die elektrische Maschine 52 kann auch als Generator betrieben werden, um zum Beispiel während eines Bremsbetriebs elektrische Leistung zum Aufladen der Batterie 58 bereitzustellen.
Eine Variation des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors kann durch Koppeln einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors an einen VCR-Mechanismus erreicht werden. Der VCR-Mechanismus kann eine erste Komponente beinhalten, wie etwa einen Exzenter, die an die Kurbelwelle gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, einen Hub eines Kolbens innerhalb einer Brennkammer anzupassen, wodurch das Verdichtungsverhältnis variiert wird. Eine zweite Komponente des VCR-Mechanismus kann verwendet werden, um eine Position des Kolbens mechanisch zu verriegeln, womit das Verdichtungsverhältnis erhalten wird. Eine Bewegung der zweiten Komponente zwischen einer eingerückten oder einer ausgerückten Ausrichtung kann durch einen Aktor gesteuert werden, der Hydraulikruck verwendet, um die Anpassung der zweiten Komponenten zu ermöglichen. Auf diese Weise ist der VCR-Mechanismus nicht von einem mechanischen Betätigungssystem, wie etwa Getrieben oder einem Motor, das zu NVH-Problemen beiträgt und die Komplexität und das Gewicht des Verbrennungsmotors erhöht, abhängig. Darüber hinaus wirkt sich die Betätigung des VCR-Mechanismus nicht nachteilig auf den Energieverbrauch des Verbrennungsmotors aus, wodurch eine Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors durch Variieren der Verdichtungsrate gemäß den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors erhöht wird. Darüber hinaus wird durch Koppeln des Exzenters an die Kurbelwelle anstatt an den Kolben ein Massengleichgewicht mobiler Komponenten des Verbrennungsmotors erhalten.
Ein Beispiel eines VCR-Mechanismus 202 für einen Vierzylinderreihen-(I4-)Motor ist in einer ersten Konfiguration 200 in 2 gezeigt. Es versteht sich, dass wenngleich in 2 (und in 3) eine Anordnung für einen I4-Motor gezeigt ist, andere Beispiele des VCR-Mechanismus Anpassungen des Mechanismus an andere Verbrennungsmotorarten, wie etwa V6, V8, 13, usw., beinhalten können Es ist ein Satz von Bezugsachsen 201 bereitgestellt, der eine y-Achse, eine x-Achse und eine z-Achse angibt. Der VCR-Mechanismus 202 ist in einer Kurbelwelle 204 umgesetzt, die einen ersten Stangenlagerzapfen oder Kurbelzapfen 206, einen zweiten Kurbelzapfen 208, einen dritten Kurbelzapfen 210 und einen vierten Kurbelzapfen 212 beinhaltet. Die Kurbelzapfen sind entlang der Kurbelwelle 204 ausgerichtet und zwischen Hauptlagerzapfen angeordnet. Die Kurbelwelle 204 beinhaltet einen ersten Hauptlagerzapfen 213, einen zweiten Hauptlagerzapfen 214, einen dritten Hauptlagerzapfen 216, einen vierten Hauptlagerzapfen 218 und einen fünften Hauptlagerzapfen 209. Jeder Hauptlagerzapfen ist von benachbarten Hauptlagerzapfen durch einen der Kurbelzapfen beabstandet. Insbesondere ist der zweite Hauptlagerzapfen 214 zwischen dem ersten Kurbelzapfen 206 und dem zweiten Kurbelzapfen 208 positioniert, der dritte Hauptlagerzapfen 216 ist zwischen dem zweiten Kurbelzapfen 208 und dem dritten Kurbelzapfen 210 positioniert und der vierte Hauptlagerzapfen 218 ist zwischen dem dritten Kurbelzapfen 210 und dem vierten Kurbelzapfen 212 positioniert. Die Kurbelwelle 204 beinhaltet außerdem eine Vielzahl von Gegengewichten 220, die entlang einer Länge 222 der Kurbelwelle 204 angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Gegengewichten 220 durch eine abwechselnde Anordnung von Kurbelzapfen und Hauptlagerzapfen gleichmäßig beabstandet ist.
Der VCR-Mechanismus 202 kann einen ersten Abschnitt 203 aufweisen, der eine Vielzahl von Exzentern umfasst, die die Kurbelwelle 204 umschließen. Der Einfachheit halber ist in den 2 und 3 ein Exzenter 224 gezeigt, wobei der Exzenter 224 den vierten Kurbelzapfen 212 in Umfangsrichtung umgibt, der VCR-Mechanismus 202 kann jedoch einen Exzenter aufweisen, der um jeden Kurbelzapfen der Kurbelwelle 204 positioniert ist. Der Exzenter 224 ist an einen Pleuel 226 an einem ersten Ende 228 des Pleuels 226 gekoppelt. Ein zweites Ende 229 des Pleuels 226 kann an eine Unterseite eines Kolbens, wie etwa des Kolbens 138 aus 1, gekoppelt sein. Auf diese Weise sind das erste Ende 228 des Pleuels 226 und der daran gekoppelte Exzenter 224 distal zu dem Kolben relativ zu dem zweiten Ende 229 des Pleuels 226.
Das erste Ende 228 des Pleuels 226 kann einen Ring 231 aufweisen, wie in 6 gezeigt, der den Exzenter 224 umschließt und von einer äußeren Fläche des Exzenters 224 um ein erstes Lager 604 beabstandet ist. Anders ausgedrückt ist das erste Lager 604 zwischen dem Ring 231 und dem Exzenter 224 angeordnet und eine äußere Fläche des ersten Lagers 604 ist in direktem Kontakt mit einer inneren Fläche des Rings 231 und eine innere Fläche des ersten Lagers 604 ist in direktem Kontakt mit der äußeren Fläche des Exzenters 224. Das erste Lager 604 kann an dem Ring 231 des Pleuels 226 befestigt, z. B. angebracht, sein und kann dem Ring 231 des Pleuels 226 ermöglichen, sich frei um den Exzenter 224 zu drehen, wenn das erste Ende 228 des Pleuels 226 während Motorbetrieben schwingt.
Ein zweites Lager 606 kann zwischen dem Exzenter 224 und dem vierten Kurbelzapfen 212 angeordnet sein (in den 2 und 3 gezeigt). Demnach ist die innere Fläche des Exzenters 224 in direktem Kontakt mit einer äußeren Fläche des zweiten Lagers 606 und eine innere Fläche des zweiten Lagers 606 ist in direktem Kontakt mit der äußeren Fläche des vierten Kurbelzapfens 212. Das zweite Lager 604 kann an dem Exzenter 224 befestigt, z.B. angebracht, sein und kann ermöglichen, dass eine hohe Ölfilmscherkraft zwischen dem Exzenter 224 und dem vierten Kurbelzapfen 212 erzeugt wird, um die Drehbewegung auf eine einzige Richtung zu beschränken. Zum Beispiel kann sich der Exzenter 224 relativ zu dem Kurbelzapfen 212 in einer Richtung im Uhrzeigersinn und nicht in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn oder umgekehrt drehen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann der Exzenter 224, wenn sich die Kurbelwelle 204 dreht, sich entweder gleichzeitig mit dem vierten Kurbelzapfen 212 innerhalb des ersten Endes 228 des Pleuels 226 drehen, z. B. ist der Exzenter 224 an dem vierten Kurbelzapfen 212 befestigt und dreht sich relativ zu dem Ring 231, oder kann die unidirektionale Ölscherkraft zwischen der äußeren Fläche des vierten Kurbelzapfens 212 und einer inneren Fläche des Exzenters 224 bewirken, dass der Exzenter 224 sich um den vierten Kurbelzapfen 212 dreht.
Zum Beispiel kann der Pleuel 226, wenn sich die Kurbelwelle 204 dreht, wie durch den Pfeil 232 angegeben, sich entlang der y-Achse nach oben und unten verschieben und gleichzeitig durch eine Schwingbewegung an dem ersten Ende 228 des Pleuels 226 innerhalb der y-z-Ebene seinen Winkel ändern. Insbesondere kann das zweite Ende 229 des Pleuels 226 sich entlang der y-Achse nach oben und unten bewegen aber aufgrund der Kopplung des zweiten Endes 229 an dem Kolben, der innerhalb eines Zylinders nach oben und unten gleitet, in Bezug auf die z-Achse unveränderlich bleiben. Das erste Ende 228 des Pleuels 226 kann jedoch aufgrund der Kopplung des ersten Endes 228 an dem vierten Kurbelzapfen 212 über den Exzenter 224, z. B. des Rings 231 an dem ersten Ende 228, der den Exzenter 224 in Umfangsrichtung umgibt, der den vierten Kurbelzapfen 212 umschließt, durch einen Bereich von Winkeln entlang der z-Achse schwingen, wenn die Kurbelwelle 204 sich dreht. Somit schwingt das erste Ende 228 des Pleuels 226 entlang der y-z-Ebene vor und zurück, während es sich entlang der y-Achse nach oben und unten verschiebt.
Der Exzenter 224 kann in einer statischen Position relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 212 verbleiben und sich mit der Kurbelwelle 204 drehen, wenn er mechanisch an dem vierten Kurbelzapfen 212 verriegelt ist. Der vierte Kurbelzapfen 212 kann aufgrund einer Entfernung 238, um die der vierte Kurbelzapfen 212 von einer Drehachse 230 der Kurbelwelle 204 versetzt ist, sich durch einen Kreis in der y-z-Ebene bewegen. Alternativ kann der Exzenter 224 aufgrund von Ölscherkräften, die zwischen dem zweiten Lager 606, wie in 6 gezeigt, des Exzenters 224 und dem vierten Kurbelzapfen 212 erzeugt werden, dazu gezwungen werden, sich relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 212 zu drehen, wenn der Exzenter 224 von dem vierten Kurbelzapfen 212 entriegelt ist, wodurch eine Drehung des Exzenters 224 um den vierten Kurbelzapfen 212 in einer Richtung herbeigeführt wird. Wenn der Exzenter 224 sich in der entriegelten Konfiguration befindet, dreht sich der Exzenter 224 in Bezug auf den vierten Kurbelzapfen 212. Auf diese Weise kann die Drehung des Exzenters 224 um den vierten Kurbelzapfen 212 ohne Beteiligung beliebiger zusätzlicher Mechanismen oder Vorrichtungen durch Ölscherkräfte zwischen dem vierten Kurbelzapfen 212 und dem zweiten Lager 606 herbeigeführt werden, wie in 6 gezeigt, wenn die Kurbelwelle 204 sich um die Drehachse 230 dreht. Um die Drehung des Exzenters 224 um den vierten Kurbelzapfen 212 anzuhalten, kann der Exzenter 224 durch einen zweiten Abschnitt 205 des VCR-Mechanismus 202 fest an den vierten Kurbelzapfen 212 gekoppelt sein.
Der zweite Abschnitt 205 des VCR-Mechanismus 202 beinhaltet einen Stift für ein niedriges Verdichtungsverhältnis (low compression ratio pin - LCR-Stift) 234 (z. B. mit Schraffur) und einen Stift für ein hohes Verdichtungsverhältnis (high compression ratio pin - HCR-Stift) 236 (z. B. ohne Schraffur) für jeden Exzenter 224 der Kurbelwelle 204. Zum Beispiel ist der LCR-Stift 234 auf der rechten Seite des Exzenters 224 an dem vierten Kurbelzapfen 212 in dem fünften Hauptlagerzapfen 209 rechts von dem Exzenter 224 positioniert, wobei der LCR-Stift 234 mit der x-Achse ausgerichtet ist. Der HCR-Stift 236 auf der linken Seite des Exzenters 224 ist in dem vierten Hauptlagerzapfen 218 links von dem Exzenter 224 positioniert. Der LCR-Stift 234 und der HCR-Stift 236 sind in den Lagerzapfen der Kurbelwelle 202 entlang der Drehachse 230 der Kurbelwelle 202 angeordnet, um eine Zentrifugalkraft während der Drehung der Kurbelwelle 202 zu reduzieren, die ansonsten die Bewegung des LCR-Stifts 234 und des HCR-Stifts 236 entlang der x-Achse behindern würde.
Der HCR-Stift 236 für den vierten Kurbelzapfen 212 steht der Darstellung nach von einer ersten inneren Fläche 242 des vierten Hauptlagerzapfens 218 entlang der x-Achse hervor, wobei die erste innere Fläche 242 eine Ebene aufweist, die senkrecht zu der Drehachse 230 ist. Der Vorsprung des HCR-Stifts 236 ermöglicht dem HCR-Stift 236, in den Exzenter 224 einzugreifen, wie bei dem vierten Kurbelzapfen 212 gezeigt, indem er zum Beispiel in einen Schlitz oder eine Arretierung in dem Exzenter 224 gleitet, der bzw. die dazu ausgelegt ist, den HCR-Stift 236 aufzunehmen. Im Vergleich dazu steht der LCR-Stift 234 nicht von einer zweiten inneren Fläche 244 des fünften Hauptlagerzapfens 209 hervor, wobei die zweite innere Fläche 244 mit der ersten inneren Fläche 242 koplanar ist und von der ersten inneren Fläche 242 um eine Breite 246 des Exzenters 224 beabstandet ist.
Die Abmessungen und die Geometrie des LCR-Stifts 234 und des HCR-Stifts 236 können ähnlich oder unterschiedlich sein. In einem Beispiel weisen beide Stifte kreisförmige Querschnitte entlang der y-z-Ebene mit ähnlichen Durchmessern auf. In anderen Beispielen können die Stifte unterschiedliche Längen, Durchmesser oder unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Zum Beispiel kann der LCR-Stift 234 einen quadratischen Querschnitt aufweisen, während der HCR-Stift 236 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist oder der LCR-Stift 234 kann entlang der x-Achse länger als der HCR-Stift 236 sein. Eine Vielfalt von Kombinationen von Formen und relativen Größen der Stifte wurden berücksichtigt.
Der HCR-Stift 236 kann an eine erste Feder 248 gekoppelt sein und der LCR-Stift 234 kann an ein zweite Feder 250 gekoppelt sein. Die erste Feder 248 ist innerhalb einer ersten Kammer 252 eingeschlossen, die auch den HCR-Stift 236 aufnimmt. Die erste Kammer 252 ist innerhalb des dritten Hauptlagerzapfens 218 angeordnet, wobei sie sich entlang der x-Achse erstreckt, und kann an einem Ende mit dem HCR-Stift 236 dichtend in Eingriff stehen, sodass Öl, das in die erste Kammer 252 von einem externen Ölbehälter strömt, innerhalb der ersten Kammer 252 abgedichtet sein kann, z.B. der HCR-Stift 236 als Stöpsel für die erste Kammer 252 fungiert. Darüber hinaus kann der HCR-Stift 236 entlang der x-Achse in die erste Kammer 252 und aus dieser heraus gleiten.
Die zweite Feder 250 kann innerhalb einer zweiten Kammer 254 eingeschlossen sein, die auch den LCR-Stift 234 aufnimmt. Die zweite Kammer 254 ist innerhalb des fünften Hauptlagerzapfens 209 angeordnet und kann sich entlang der x-Achse erstrecken. Die zweite Kammer 254 kann ähnlich wie bei der Anordnung des HCR-Stifts 236 in der ersten Kammer 252 außerdem durch den LCR-Stift 234 verschlossen sein, wobei Öl innerhalb der zweiten Kammer 254 zurückgehalten wird, während ermöglicht wird, dass der LCR-Stift 234 entlang der x-Achse in die zweite Kammer 254 und aus dieser hinaus gleitet. Ein Gleiten des HCR-Stifts 236 und des LCR-Stifts 234 entlang der x-Achse kann eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors ermöglichen, in Abhängigkeit davon, welcher Stift mit dem Exzenter 224 in Eingriff tritt.
Zum Beispiel ist in 2 eine Konfiguration mit einem hohen CR gezeigt, die einer in den 4 und 6 gezeigten Ausrichtung des Exzenters 224 entspricht. Ein erster Querschnitt 400 des Exzenters 224 ist in 4 dargestellt und eine Seitenansicht 600 des Exzenters 224 ist in 6 veranschaulicht. Der HCR-Stift 236 steht von der ersten inneren Fläche 242 des dritten Hauptlagerzapfens 218 hervor und wird in eine erste Arretierung 408, wie in 4 gezeigt, des Exzenters 224 eingeführt, wodurch eine Position des Exzenters 224 relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 212 erhalten wird, z. B. eine Position des Exzenters 224 an dem vierten Kurbelzapfen 212 fixiert wird.
Die erste Arretierung 408 kann sich entlang der x-Achse von einer ersten seitlichen Fläche 403 des Exzenters entlang eines Abschnitts der Breite 246 des Exzenters 224 erstrecken. Eine Entfernung 405, um die sich die erste Arretierung 408 in der Breite 246 erstreckt, kann 30-50 % der Breite 246 des Exzenters 224 betragen. Die erste Arretierung 408 kann eine Höhe 411 aufweisen, wie in 4 gezeigt, die ähnlich wie oder etwas größer als ein erster Durchmesser 256 des HCR-Stifts 236 ist, wie in 2 gezeigt, um das Einführen des HCR-Stifts 236 in die erste Arretierung 408 zu ermöglichen. Ein Querschnitt der ersten Arretierung 408 entlang der y-z-Ebene kann in einem Beispiel kreisförmig sein. In anderen Beispielen kann der Querschnitt der ersten Arretierung 408 eine andere Geometrie aufweisen, um eine Form oder Größe des HCR-Stifts 236 aufzunehmen, wie etwa ein Quadrat, ein Oval, ein Sechseck usw.
Der Exzenter 224 weist eine Öffnung 402 auf, die derart vorgespannt ist, dass die Öffnung 402 nicht an einem geometrischen Mittelpunkt des Exzenters 224 positioniert ist. Als Folge der vorgespannten Positionierung der Öffnung 402 ist der Exzenter 224 entlang eines ersten Bereichs 404 dicker als entlang eines zweiten Bereichs 406, wobei die Dicke entlang der y-Achse gemessen wird. Die Dicke des Exzenters nimmt von dem zweiten Bereich 406 zu dem ersten Bereich 404 entlang eines in 6 gezeigten Umfangs 602 des Exzenters 224 kontinuierlich zu.
Wenn der Exzenter 224 wie in den 2, 4 und 6 gezeigt positioniert ist, ist der erste dickere Bereich 404 relativ zu y-Achse über dem zweiten, dünneren 406 ausgerichtet. Das Einführen des vierten Kurbelzapfens 212 durch die Öffnung 402 des Exzenters 224, wie in 2 gezeigt, führt dazu, dass der Exzenter 224 sich um eine größere Entfernung über dem vierten Kurbelzapfen 212 erstreckt, wobei die Entfernung über dem vierten Kurbelzapfen 212 der Dicke des ersten Bereichs 404 entspricht, als eine Entfernung, die der Exzenter 224 sich unter dem vierten Kurbelzapfen 212 erstreckt, wobei die Entfernung unter dem vierten Kurbelzapfen 212 der Dicke des zweiten Bereichs 406 des Exzenters 224 entspricht. Wenn sich die Kurbelwelle 204 dreht, dreht der Exzenter 224 sich innerhalb des ersten Endes 228 des Pleuels 226.
Wenn die Kurbelwelle relativ zu der in 2 gezeigten Position um 180 Grad gedreht wird, ist der Exzenter 224 derart ausgerichtet, dass sich der vierte Kurbelzapfen 212 in Bezug auf die y-Achse unterhalb der Drehachse 230 befindet, und der erste, dickere Beriech 404 des Exzenters 224 sich ebenfalls unterhalb der Drehachse 230 und auf einer Unterseite des Exzenters 224 befindet, wobei der zweite, dünnere Bereich 406 sich auf der Oberseite des Exzenters 224 befindet. In dieser Ausrichtung befindet sich der an das zweite Ende 229 des Pleuels 226 gekoppelte Kolben in einer UT-Position. Ferner kann eine Drehung der Kurbelwelle um weitere 180 Grad in die in 2 gezeigten Konfiguration einer OT-Position des Kolbens entsprechen Die Ausrichtung des Exzenters 224 mit dem ersten, dickeren Bereich 404 über der Drehachse 230 und auf der Oberseite des Exzenters 224 drückt die OT-Position des Kolbens entlang der y-Achse weiter nach oben als eine beliebige andere Ausrichtung des Exzenters 224 relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 212, z.B. wenn der Exzenter 224 um den vierten Kurbelzapfen 212 gedreht wird, sodass der erste Bereich 404 sich nicht auf der Oberseite des Exzenters 224 befindet, wenn der vierte Kurbelzapfen 212 sich über der Drehachse 230 befindet, wie in 2 gezeigt. Somit entspricht ein Eingriff des HCR-Stifts 236 mit der ersten Arretierung 408 des Exzenters 224 einem erhöhten CR des Verbrennungsmotors im Vergleich zu einer beliebigen anderen Ausrichtung des Exzenters 224 um den vierten Kurbelzapfen 212.
Der Verbrennungsmotor kann an eine zweite Konfiguration mit einem niedrigeren CR 300 angepasst werden, indem der HCR-Stift 236 von dem Exzenter 224 gelöst wird und der LCR-Stift 234 mit dem Exzenter 224 in Eingriff gebracht wird, wie in 3 gezeigt. Eine in 3 gezeigte Ausrichtung des Exzenters 224 entspricht einer in einem zweiten Querschnitt 500 in 5 dargestellten Ausrichtung des Exzenters 224. Der LCR-Stift 234 kann in eine zweite Arretierung 410 in dem Exzenter 224 eingeführt werden, wie in den 4 und 5 gezeigt, wobei die zweite Arretierung 410 sich von einer zweiten seitlichen Fläche 407 des Exzenters 224 entlang eines Abschnitts der Breite 246 des Exzenters 224 erstreckt, wobei die zweite seitliche Fläche 407 sich gegenüber der ersten seitlichen Fläche 403 des Exzenters 224 befindet. Zusätzlich zu einer Positionierung der zweiten Arretierung 410 in einer gegenüberliegenden seitlichen Fläche des Exzenters 224 von der ersten Arretierung 408 kann die zweite Arretierung 410 außerdem 180 Grad relativ zu der ersten Arretierung 408 um den Umfang 602 des Exzenters 224 ausgerichtet sein. Wenn zum Beispiel der Exzenter 224 gedreht wird, sodass die erste Arretierung 408 sich auf der Oberseite des Exzenters 224 befindet, befindet sich die zweite Arretierung 410 auf der Unterseite des Exzenters 224, und durch eine Drehung des Exzenters 224, sodass die zweite Arretierung 410 sich auf der Oberseite des Exzenters 224 befindet, wird die erste Arretierung 408 auf der Unterseite des Exzenters 224 positioniert.
Eine in 5 gezeigte Entfernung 502, um die sich die zweite Arretierung 410 in der Breite 246 des Exzenters 224 von der zweiten seitlichen Fläche 407 erstreckt, kann ähnlich wie die erste Arretierung 408 30-50 % der Breite 246 des Exzenters 224 betragen. Eine entlang der y-Achse definierte Höhe 504 der zweiten Arretierung 410 kann ähnlich wie oder etwas größer als ein zweiter Durchmesser 258 des LCR-Stifts 234 sein, wie in 3 gezeigt, um das Einführen des LCR-Stifts 234 in die zweite Arretierung 410 zu ermöglichen. Ein Querschnitt der zweiten Arretierung 410 entlang der y-z-Ebene kann in einem Beispiel kreisförmig sein. In anderen Beispielen kann der Querschnitt der zweiten Arretierung 410 eine andere Geometrie aufweisen, um eine Form oder Größe des LCR-Stifts 234 aufzunehmen, wie etwa ein Quadrat, ein Oval, ein Sechseck usw.
In der in 3 gezeigten zweiten Konfiguration 300 ist der Exzenter 224 gegenüberliegend zu dem aus der ersten Konfiguration 200 aus 2 angeordnet. Wenn der vierte Kurbelzapfen 212 in Bezug auf die y-Achse über der Drehachse 230 positioniert ist, was der OT-Position des Kolbens entspricht, verriegelt ein Eingreifen des LCR-Stifts 234 mit der zweiten Arretierung 410 des Exzenters 224 den Exzenter an dem vierten Kurbelzapfen 212. Relativ zu der ersten Konfiguration 200 aus 2 führt die Positionierung des zweiten, dünneren Bereichs 406 auf der Oberseite des Exzenters 224, wie in 3 gezeigt, dazu, dass die Kolbenhöhe am OT geringer ist als die Kolbenhöhe am OT in der ersten Konfiguration 200. Demnach erhält die zweite Konfiguration 300 den Exzenter 224 in einer Ausrichtung, die ein niedrigeres Verbrennungsmotor-CR bereitstellt als in der ersten Konfiguration 200.
Die Überführung des Verbrennungsmotors zwischen der Konfiguration mit einem höheren CR und der Konfiguration mit einem niedrigeren CR kann auf Grundlage von Änderungen des Hydraulikdrucks in der ersten Kammer 252 und der zweiten Kammer 254, die den HCR-Stift 236 bzw. den LCR-Stift 234 aufnehmen, ermöglicht werden. In einem Beispiel kann der zweite Abschnitt 205 des VCR-Mechanismus 202 durch ein Wegeventil (directional control valve - DCV), wie etwa ein magnetbetriebenes DCV, gesteuert werden. Ein Beispiel eines DCV-Systems 702 ist in einer Konfiguration mit einem höheren CR 700 in 7 und in einer Konfiguration mit einem niedrigeren CR 800 in 8 gezeigt. Das DCV 702 kann fluidisch an einen Hochdruckölbehälter gekoppelt sein, wie etwa stromabwärts von einer Ölpumpe, die Öl aus einer Verbrennungsmotorölleitung zuführt. Darüber hinaus kann das DCV 702 fluidisch an einen ersten Ölkanal 710 gekoppelt sein, der Öl zu dem in den 2 und 3 gezeigten zweiten Hauptlagerzapfen 214 und vierten Hauptlagerzapfen 218 strömt. In einigen Beispielen kann sich der erste Ölkanal 710 an einem Punkt zwischen dem DCV 702 und der Kurbelwelle 204 in zwei Kanäle unterteilen, um einen Strom zu jedem von dem zweiten und vierten Hauptlagerzapfen 214, 218 zu leiten. Das DCV 702 kann gleichermaßen fluidisch an einen zweiten Ölkanal 712 gekoppelt sein, der Öl zu dem ersten Hauptlagerzapfen 213, dem dritten Hauptlagerzapfen 216 und dem fünften Hauptlagerzapfen 209 strömt. In einigen Beispielen kann sich der zweite Ölkanal 712 an einem Punkt zwischen dem DCV 702 und der Kurbelwelle 204 in drei Kanäle unterteilen, um einen Ölstrom zu jedem von dem ersten, dritten und fünften Hauptlagerzapfen 213, 216 und 209 zu leiten. Des Weiteren kann das DCV 702 fluidisch an einen Ölbehälter mit Niederdruck (z. B. Umgebungsdruck) gekoppelt sein, wie etwa eine Verbrennungsmotorölwanne.
Das DCV 702 beinhaltet eine Spule 704, die in einem Zylinder 706 angeordnet ist, wobei die Spule 704 innerhalb des Zylinders 706 verschiebbar ist, wie durch den Pfeil 708 angegeben. Die Bewegung der Spule 704 kann durch einen Elektromagneten betätigt werden. Zum Beispiel kann ein Elektromagnet, der rechts von dem DCV 702 positioniert ist, die Spule 704 bei Aktivierung dazu zwingen, nach rechts in die Konfiguration mit einem hohen CR 700 verschoben zu werden. Andere Verfahren zum Ermöglichen einer Bewegung der Spule 704 wurden jedoch berücksichtigt, wie etwa pneumatische, hydraulische, mechanische oder manuelle Betätigungsverfahren. In der Konfiguration mit einem hohen CR 700 kann die Spule 704 derart positioniert sein, dass der erste Ölkanal 710 fluidisch an den Hochdruckölbehälter, wie etwa den Hochdruckölbehälter 191 aus 1, gekoppelt ist und der zweite Ölkanal 712 an den Niederdruckölbehälter, wie etwa den Niederdruckölbehälter 193 aus 1 gekoppelt ist. Das Hochdrucköl strömt zu dem zweiten Hauptlagerzapfen 214 und dem vierten Hauptlagerzapfen 218 und in jede erste Kammer 252, wie in 2 gezeigt, die in jedem von dem zweiten Hauptlagerzapfen 214 und dem vierten Hauptlagerzapfen 218 angeordnet ist (z. B. zwei erste Kammern pro Hauptlagerzapfen). Der Ölstrom in jede erste Kammer 252 zwingt den HCR-Stift 236 dazu, aus der ersten Kammer 252 herauszugleiten, um von einer inneren Fläche des Hauptlagerzapfens, wie etwa der ersten inneren Fläche 242 des vierten Hauptlagerzapfens 218, vorzustehen, wobei eine entgegengesetzte Federkraft, die auf den HCR-Stift 236 durch die erste Feder 248 ausgeübt wird, überwunden wird. Wenn der HCR-Stift 236 von der inneren Fläche des Hauptlagerzapfens aus der ersten Kammer 252 vorsteht, kann er nicht mit dem Exzenter 224 in Eingriff stehen, wenn der HCR-Stift 236 nicht mit der ersten Arretierung 408 des Exzenters 224 ausgerichtet ist oder kann mit dem Exzenter 224 in Eingriff stehen, wenn der HCR-Stift 236 mit der ersten Arretierung 408 ausgerichtet ist.
Wenn der Exzenter 224, wie in den 2 und 3 gezeigt, nicht entweder durch den HCR-Stift 236 oder den LCR-Stift 234 in Eingriff genommen ist, kann er sich aufgrund von Ölscherkräften zwischen dem zweiten Lager 606 (wie in 6 gezeigt) des Exzenters 224 und dem vierte Kurbelzapfen 212 relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 212 drehen. Wenn sich die Kurbelwelle 204 während des Verbrennungsmotorbetriebs dreht, kann jeder Exzenter 224 sich relativ zu jedem Kurbelzapfen drehen. Zum Beispiel kann der vierte Kurbelzapfen 212 sich innerhalb des ersten Endes 228 des Pleuels 226 drehen, wenn sich das DCV 702 in der Konfiguration mit einem hohen CR 700 aus 7 befindet. Ein Ende des HCR-Stifts 236 kann aufgrund des hohen Drucks innerhalb der ersten Kammer 252, wenn sich der Exzenter 224 relativ zu dem HCR-Stift 236 dreht bis der HCR-Stift 236 mit der ersten Arretierung 408 (wie in den 4 und 5 gezeigt) des Exzenters 224 ausgerichtet ist, in Kontakt mit der ersten seitlichen Fläche 403 des Exzenters 224 sein und gegen diese drücken. Wenn der HCR-Stift 236 mit der ersten Arretierung 408 ausgerichtet ist, gleitet er in die erste Arretierung 408, wobei er die Position des Exzenters 224 relativ zu dem vierten Kurbelzapfen 218 verriegelt, sodass der Exzenter 224 sich gleichzeitig mit dem vierten Kurbelzapfen 218 dreht, der sich innerhalb des ersten Endes 228 des Pleuels 226 dreht.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 7 und 8 kann das DCV 702 an die Konfiguration mit einem niedrigeren CR 800 aus 8 angepasst werden, indem zum Beispiel ein Elektromagnet, der auf der linken Seite des DCV 702 positioniert ist und die Spule 704 nach links zieht, aktiviert wird. In der Konfiguration mit einem niedrigen CR 800 ist der erste Ölkanal 710 fluidisch an den Niederdruckölbehälter anstatt den Hochdruckölbehälter gekoppelt und der zweite Ölkanal 712 ist fluidisch an den Hochdruckölbehälter anstatt den Niederdruckölbehälter gekoppelt. Der hohe Druck in jeder ersten Kammer 252 wird in den Niederdruckölbehälter abgelassen, wobei die durch den hohen Druck auf den HCR-Stift 236 ausgeübte Kraft schließlich ausreichend abnimmt, um der auf den HCR-Stift 236 ausgeübten Kraft zu ermöglichen, den HCR-Stift 236 in die erste Kammer 252 zurückzuziehen, sodass der HCR-Stift 236 sich aus dem Eingriff mit dem Exzenter 224 löst und nicht mehr von der ersten inneren Fläche 242 des vierten Kurbelzapfens 218 hervorsteht, wie in 3 gezeigt.
Das Lösen des HCR-Stifts 236 aus dem Eingriff entriegelt den Exzenter 224 von dem vierten Kurbelzapfen 218 und der Exzenter 224 kann aufgrund von Ölscherkräften zwischen dem zweiten Lager 606 des Exzenters 224 und dem vierten Kurbelzapfen 218 dazu gezwungen werden, sich um den vierten Kurbelzapfen 212 zu drehen. Wenn der Exzenter 224 sich dreht, kann ein Ende des LCR-Stifts 234 aufgrund des hohen Drucks in der zweiten Kammer von der zweiten Kammer 254 hervorstehen und gegen die zweite seitliche Fläche 407 des Exzenters 224 drücken. Der Vorsprung des LCR-Stifts 234 von der zweiten Kammer 254 wird durch den Ölstrom aus dem Hochdruckölbehälter, über den zweiten Ölkanal 712 und in jeden von dem ersten, dritten und fünften Hauptlagerzapfen 213, 216 und 209 angetrieben. Infolgedessen wird jeder zweiten Kammer 254 Öl zugeführt, wobei ein Druck in jeder zweiten Kammer 254 erhöht wird, der jeden LCR-Stift 234 nach außen drückt, und eine entgegengesetzte Federkraft, die auf jeden LCR-Stift 234 durch die zweite Feder 250 ausgeübt wird, überwunden wird.
Wenn der Exzenter 224 sich um den vierten Kurbelzapfen 212 dreht, wobei der LCR-Stift 234 gegen die zweite seitliche Fläche 407 drückt, kann der LCR-Stift 234 sich mit der zweiten Arretierung 410, wie in den 4 und 5 gezeigt, des Exzenters 224 ausrichten. Wenn der HCR-Stift 234 ausgerichtet ist, gleitet er in die zweite Arretierung 410, verriegelt die Position des Exzenters 224 zu dem vierten Kurbelzapfen 218, sodass der Exzenter 224 sich gleichzeitig mit dem vierten Kurbelzapfen 218 dreht, der sich innerhalb des ersten Endes 228 des Pleuels 226 dreht. Demnach ist der Exzenter 224 in der zweiten Konfiguration mit einem geringen CR 300 aus 3 verriegelt.
Auf diese Weise kann ein Verbrennungsmotor-CR zwischen einem höheren CR und einem niedrigeren CR durch einen VCR-Mechanismus angepasst werden, wie durch die erste und die zweite Konfiguration 200 und 300 aus den 2 bzw. 3 dargestellt, wobei der VCR-Mechanismus Exzenter und Verriegelungsstifte umfasst. Die Kolbenhöhe kann auf Grundlage einer Ausrichtung eines Exzenters, der an jeden Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt ist, variiert werden. Die Ausrichtung des Exzenters kann durch einen ersten Verriegelungsstift oder einen zweiten Verriegelungsstift an dem Kurbelzapfen verriegelt werden, wobei jeder Verriegelungsstift einer anderen Exzenterpositionierung entspricht, die das Verbrennungsmotor-CR modifiziert. Der erste Verriegelungsstift kann mit einer ersten Arretierung in dem Exzenter interagieren, um den Exzenter sowie einen Kolben, der über einen Pleuel an den Exzenter gekoppelt ist, in einer ersten Position zu erhalten, die dem Verbrennungsmotor das höhere CR bereitstellt. Das Lösen des Eingriffs des ersten Verriegelungsstifts ermöglicht der Ausrichtung des Exzenters, sich relativ zu dem Kurbelzapfen zu ändern, bis der zweite Verriegelungsstift eine zweite Arretierung des Exzenters in Eingriff nimmt, wodurch der Exzenter und der Kolben in einer zweiten Position erhalten werden, die das CR relativ zu der ersten Position verringert. Die Ausrichtung des Exzenters kann durch mechanisches Verriegeln des Exzenters entweder mit dem ersten oder dem zweiten Verriegelungsstift und Nutzung von Reibung, z. B. Ölscherkräften, um den Exzenter zwischen der ersten und der zweiten Position zu drehen, ohne Weiteres modifiziert werden, wodurch eine Abhängigkeit von zusätzlichen Vorrichtungen, die die Komplexität, das Gewicht, den Energieverbrauch oder unerwünschte Geräusche erhöhen, wie etwa Getrieben und Motoren, umgangen wird. Das Anordnen des Exzenters an einem zu dem Kolben distalen Ende des Pleuels reduziert Massenunwuchten zwischen sich bewegenden Verbrennungsmotorkomponenten, wodurch der Einsatz einer Ausgleichswelle zum Ausgleich ausgeschlossen wird.
Die Anpassung der Verriegelungsstifte zwischen der aktiven Ineingriffnahme des Exzenters und dem Rückzug der Verriegelungsstifte in Kammern, die in Hauptlagerzapfen der Kurbelwelle angeordnet sind, kann durch eine Kombination von Hydraulikdruck, der den Ölbehältern des Verbrennungsmotors übermittelt wird, und Federkraft, die durch Zugfedern, die an die Verriegelungsstifte gekoppelt sind, bereitgestellt wird, umgesetzt werden. Ein Wegeventil kann verwendet werden, um den Hydraulikdruck in den Kammern zu regeln, wobei entweder der Druck erhöht wird, um die Federkraft der Federn zu überwinden und die Bewegung der Verriegelungsstifte aus den Kammern und in Arretierungen des Exzenters angetrieben wird oder der Druck abgelassen wird, um den Federn zu ermöglichen, die Verriegelungsstifte in die Kammern zurückzuziehen, wobei die Verriegelungsstifte aus dem Eingriff mit dem Exzenter gelöst werden. Das Wegeventil kann an vorhandene Ölkanäle in dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein, wobei Hydraulikdruck genutzt wird, der von den Verbrennungsmotorkomponenten, wie etwa einer Verbrennungsmotorölpumpe, die den Ölstrom durch den Verbrennungsmotorblock fördert, bereitgestellt wird.
Ein Beispiel eines Verfahrens 900 zum Variieren eines CR eines VCR-Verbrennungsmotors ist in 9 dargestellt. Bei dem VCR-Verbrennungsmotor kann es sich um den Verbrennungsmotor 10 aus 1 handeln, der eine Kurbelwelle, wie etwa die in den 2 und 3 gezeigte Kurbelwelle 204, beinhaltet und mit einem VCR-Mechanismus, wie etwa dem in den 2 und 3 veranschaulichten VCR-Mechanismus 202, der durch ein Wegeventil (z. B. das DCV 702 aus den 7 und 8) betätigt wird, ausgelegt ist. Der VCR-Mechanismus beinhaltet eine Vielzahl von Exzentern, wobei jeder Exzenter an einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle gekoppelt ist. Jeder Exzenter kann entweder durch einen ersten Verriegelungsstift, der den VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem höheren CR erhält, oder einen zweiten Verriegelungsstift, der den VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem niedrigeren CR erhält, in seiner Position verriegelt werden. Der erste und der zweite Verriegelungsstift sind auf gegenüberliegenden Seiten des Exzenters positioniert und dazu ausgelegt, in eine erste Arretierung und eine zweite Arretierung eingeführt zu werden, die jeweils in gegenüberliegenden seitlichen Flächen des Exzenters angeordnet sind. Die Bewegung des ersten und des zweiten Verriegelungsstifts in eine erste Ölkammer bzw. eine zweite Ölkammer und aus diesen heraus wird durch das DCV gesteuert, das den Hydraulikdruck in der ersten und zweiten Kammer durch Variieren einer Position einer Spule zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position modifiziert, wodurch der Ölstrom zwischen den Kammern und Ölbehältern in dem Verbrennungsmotor reguliert wird. Der Hydraulikdruck in den Ölkammern, der die Bewegung der Verriegelungsstifte in eine Richtung nach außen, z. B. aus den Kammern heraus, antreibt, konkurriert mit einer durch Zugfedern auf die Verriegelungsstifte ausgeübten entgegengesetzten Federkraft, die die Verriegelungsstifte in eine Richtung nach innen, z. B. in die Kammern, zieht. Der Verbrennungsmotor kann sich zunächst in der Konfiguration mit dem höheren CR befinden, wobei die Spule des DCV sich in der ersten Position befindet, um als Reaktion auf geringe Verbrennungsmotorlasten und - drehzahlen, z. B. während des Fahrens mit konstanter Geschwindigkeit oder im Leerlauf, eine hohe Kraftstoffeffizienz bereitzustellen. Der erste Verriegelungsstift kann mit der ersten Arretierung des Exzenters in Eingriff stehen, während der zweite Verriegelungsstift in die zweite Kammer zurückgezogen ist. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 900 und der übrigen in der vorliegenden Schrift enthaltenen Verfahren können durch eine Steuerung (wie etwa die Steuerung 12 aus 1) auf Grundlage von in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Verbrennungsmotorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa den vorangehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Verbrennungsmotoraktoren des Verbrennungsmotorsystems einsetzen, um den Betrieb des Verbrennungsmotors gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren anzupassen. Zum Beispiel kann die Steuerung ein Steuersignal an das DCV senden, um den Öldruck, der der ersten und zweiten Kammer zugeführt wird, durch Variieren der Position des DCV auf Grundlage einer erfassten Änderung eines Krümmerabsolutdrucks, wie durch einen MAP-Sensor, wie etwa den MAP-Sensor 124 aus 1 gemessen, anzupassen.
Bei 902 beinhaltet das Verfahren das Schätzen und/oder Messen der Betriebsbedingungen des VCR-Verbrennungsmotors. Zum Beispiel kann eine Verbrennungsmotordrehzahl von einem Hall-Effekt-Sensor, wie etwa dem Hall-Effekt-Sensor 120 aus 1, bestimmt werden, eine Drehmomentanforderung kann auf Grundlage eines Pedalpositionssensors eines Gaspedals, wie etwa des Pedalpositionssensor 134 der Eingabevorrichtung 132 aus 1, bestimmt werden, eine durch einen Turbolader zugeführte Aufladung kann auf Grundlage eines MAP-Sensors, wie etwa des MAP-Sensors 124 aus 1, bestimmt werden, eine Position des VCR-Mechanismus kann durch einen Positionssensor, wie etwa den in 1 gezeigten VCR-Mechanismus-Positionssensor 196, erfasst werden und ein abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (CR) des Verbrennungsmotors kann auf Grundlage der Position des VCR-Mechanismus bestimmt werden.
Das Verfahren bestimmt bei 904, ob ein Drehmomentbedarf über einen ersten Schwellenwert zunimmt. Der erste Schwellenwert kann ein Drehmomentniveau sein, über dem eine Wahrscheinlichkeit eines Klopfens des Verbrennungsmotors erhöht wird, wenn sich der Verbrennungsmotor in der Konfiguration mit einem höheren CR befindet. Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor während des Fahrens mit konstanter Geschwindigkeit ein CR von 12:1 aufweisen. Ein Betreiber kann das Gaspedal weiter durchdrücken, um eine Steigung hinaufzufahren, wodurch eine Erhöhung der Verbrennungsmotordrehzahl angetrieben wird und ein höherer Aufladedruck angefordert wird, der einer Menge von geliefertem Drehmoment entspricht, die einen ersten Schwellenwert überschreitet. Die Steuerung kann das Reduzieren des CR auf zum Beispiel 9:1 durch Aktivieren eines Elektromagneten in dem DCV, der das DCV aus einer Position mit einem hohen CR in eine Position mit einem niedrigeren CR verschiebt, befehlen.
Wenn der Drehmomentbedarf nicht über den ersten Schwellenwert ansteigt, fährt das Verfahren mit 906 fort, um eine aktuelle Position des DCV und den VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem höheren CR zu erhalten. Das Verfahren kehrt dann zum Start zurück. Wenn der Drehmomentbedarf über den ersten Schwellenwert zunimmt, geht das Verfahren zu 908 über, um die Position des DCV anzupassen. In einem Beispiel beinhaltet das Verfahren bei 908 das Aktivieren des Elektromagneten des DCV (z. B. über Senden eines elektronischen Steuersignals an den Elektromagneten), um die Spule aus der ersten Position in die zweite Position zu verschieben, wie vorstehend in Bezug auf die 7 und 8 erörtert. Bei 910 beinhaltet das Verfahren das Ablassen eines hohen Hydraulikdrucks in der ersten Kammer in einen Niederdruckölbehälter beim Verschieben der Spule in die zweite Position. Das Abbauen des Drucks in der ersten Kammer verringert den Hydraulikdruck, sodass die Federkraft der Feder, die an den ersten Verriegelungsstift gekoppelt ist, dazu imstande ist, den ersten Verriegelungsstift in die erste Kammer zurückzuziehen, wodurch der Exzenter entriegelt wird.
Wenn der Druck in der ersten Kammer abnimmt, nimmt der Hydraulikdruck in der zweiten Kammer aufgrund der fluidischen Kopplung an einen Hochdruckölbehälter zu. Öl strömt in die zweite Kammer, wobei der Kammerdruck ausreichend erhöht wird, um die durch die an den zweiten Verriegelungsstift gekoppelte Feder auf den zweiten Verriegelungsstift ausgeübte Federkraft zu überwinden. Der zweite Verriegelungsstift wird entlang der Richtung nach außen gedrückt, wobei er gegen eine seitliche Fläche des Exzenters drückt, wenn der entriegelte Exzenter aufgrund unidirektionaler Ölscherkräfte zwischen einem Lager, das zwischen dem Exzenter und dem Kurbelzapfen positioniert ist, und dem Kurbelzapfen relativ zu dem Kurbelzapfen gedreht wird. Wenn sich der Exzenter dreht, richtet sich die zweite Arretierung in dem Exzenter mit dem zweiten Verriegelungsstift aus und der zweite Verriegelungsstift gleitet in die zweite Arretierung, wobei der Exzenter an dem Kurbelzapfen und in die Konfiguration mit einem niedrigeren CR verriegelt wird. Die Kolbenhöhe wird somit verringert, wobei das Verbrennungsmotor-CR verringert wird.
Bei 912 beinhaltet das Verfahren das Bestimmen, ob der Drehmomentbedarf unter einem zweiten Schwellenwert liegt. Der zweite Schwellenwert kann ähnlich wie der erste Schwellenwert sein oder sich von diesem unterscheiden. Der zweite Schwellenwert kann ein Drehmomentniveau sein, unter dem eine Wahrscheinlichkeit eines Klopfens des Verbrennungsmotors verringert wird, wenn sich der Verbrennungsmotor in der Konfiguration mit einem niedrigeren CR befindet. Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor in der Konfiguration mit einem niedrigeren CR ein CR von 10:1 aufweisen. Ein Betreiber kann das Gaspedal freigeben, um eine Verlangsamung einzuleiten, wobei die Verbrennungsmotordrehzahl reduziert wird und angegeben wird, dass der Aufladedruck verringert werden kann. Die angeforderte Drehmomentausgabe kann unter ein Niveau des Drehmomentbedarfs fallen, das eine Priorisierung von Kraftstoffeffizienz gegenüber Leistung ermöglicht. Als Reaktion darauf kann die Steuerung das Erhöhen des CR auf zum Beispiel 13:1 durch Aktivieren eines Elektromagneten in dem DCV, um das DCV aus der Position mit einem niedrigeren CR in die Position mit einem höheren CR zu verschieben, befehlen.
Wenn der Drehmomentbedarf nicht unter den zweiten Schwellenwert fällt, fährt das Verfahren mit 914 fort, um die Position des DCV und den VCR-Mechanismus in der Konfiguration mit einem niedrigen CR zu erhalten. Das Verfahren kehrt dann zum Start zurück. Wenn der Drehmomentbedarf unter den zweiten Schwellenwert abnimmt, geht das Verfahren zu 916 über, um die Position des DCV über Aktivieren des Elektromagneten des DCV, um die Spule aus der zweiten Position in die erste Position zu verschieben, anzupassen. Bei 918 beinhaltet das Verfahren das Ablassen des hohen Hydraulikdrucks in der zweiten Kammer in den Niederdruckölbehälter beim Verschieben der Spule in die erste Position. Das Abbauen des Drucks in der zweiten Kammer verringert den Hydraulikdruck, sodass die Federkraft der Feder, die an den zweiten Verriegelungsstift gekoppelt ist, dazu imstande ist, den zweiten Verriegelungsstift in die zweite Kammer zurückzuziehen, wodurch der Exzenter entriegelt wird.
Wenn der Druck in der zweiten Kammer abnimmt, nimmt der Hydraulikdruck in der ersten Kammer aufgrund der fluidischen Kopplung an den Hochdruckölbehälter zu. Öl strömt in die erste Kammer, wobei der Kammerdruck ausreichend erhöht wird, um die durch die an den ersten Verriegelungsstift gekoppelte Feder auf den ersten Verriegelungsstift ausgeübte Federkraft zu überwinden. Der erste Verriegelungsstift wird entlang der Richtung nach außen gedrückt, wobei er gegen eine seitliche Fläche des Exzenters drückt, die der seitlichen Fläche des Exzenters, die mit dem zweiten Verriegelungsstift interagiert, gegenüberliegt, wenn sich der entriegelte Exzenter aufgrund unidirektionaler Ölscherkräfte zwischen dem Exzenterlager und dem Kurbelzapfen relativ zu dem Kurbelzapfen dreht. Wenn sich der Exzenter dreht, richtet sich die erste Arretierung in dem Exzenter mit dem ersten Verriegelungsstift aus und der erste Verriegelungsstift gleitet in die erste Arretierung, wobei der Exzenter in die Konfiguration mit einem höheren CR verriegelt wird. Die Kolbenhöhe wird somit erhöht, wodurch das Verbrennungsmotor-CR erhöht wird. Das Verfahren kehrt dann zum Start zurück.
Beispielhafte Vorgänge eines VCR-Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug sind in 10 in einem Kennlinienfeld 1000 gezeigt. Bei dem Fahrzeug kann es sich um das Fahrzeug 5 aus 1 handeln, das mit einem VCR-Mechanismus, z. B. dem VCR-Mechanismus 202 aus den 2 und 3 ausgelegt ist, der an ein DCV gekoppelt ist. Das DCV reguliert den Hydraulikdruck in dem VCR-Mechanismus, indem er den VCR-Mechanismus zwischen einer Konfiguration mit einem höheren CR und einer Konfiguration mit einem niedrigeren CR anpasst. Das Kennlinienfeld 1000 zeigt die Zeit entlang der x-Achse und stellt eine Verbrennungsmotorlast (Verlauf 1002), einen Krümmerabsolutdruck (absolute manifold pressure - MAP, Verlauf 1004), der in einem Ansaugkrümmer gemessen wird, eine Position eines Verriegelungsstifts für ein hohes Verdichtungsverhältnis (high compression ratio pin - HCR-Stift) (Verlauf 1006), eine Position eines Verriegelungsstifts für ein niedriges Verdichtungsverhältnis (Verlauf 1008), eine Position des DCV (Verlauf 1010) und ein Verbrennungsmotorverdichtungsverhältnis (Verlauf 1012) dar. Die Verbrennungsmotorlast und der MAP nehmen entlang der y-Achse zu und das Verbrennungsmotor-CR variiert zwischen einem höheren CR und einem niedrigeren CR. Der HCR- und der LCR-Verriegelungsstift sind zwischen einer ausgezogenen Position, die von den Ölkammern, die die Stifte aufnehmen, vorsteht, um mit Exzentern, die die Kolbenhöhe variieren, in Eingriff zu treten, und einer zurückgezogenen Position, in der die Stifte in die Ölkammern gezogen und aus dem Eingriff mit den Exzentern gelöst sind, anpassbar. Das DCV kann zwischen einer ersten Position, die einer Konfiguration mit einem höheren CR entspricht, und einer zweiten Position, die einer Konfiguration mit einem niedrigeren CR entspricht, angepasst werden, wie vorstehend in Bezug auf die 7 und 8 beschrieben.
Zunächst befinden sie die Verbrennungsmotorlast (Verlauf 1002) und der MAP (Verlauf 1004) bei Niveaus, bei denen Kraftstoffeffizienz gegenüber Leistungsausgabe des Verbrennungsmotors priorisiert wird. Demnach befindet sich der Verbrennungsmotor in der Konfiguration mit einem höheren CR, wobei das DCV sich in der ersten Position befindet (Verlauf 1010), sodass Öl mit hohem Druck in die Ölkammern, die die HCR-Verriegelungsstifte aufnehmen, geströmt wird. Die HCR-Verriegelungsstifte sind ausgezogen und stehen mit den Exzentern in Eingriff (Verlauf 1006), während die LCR-Verriegelungsstifte zurückgezogen (Verlauf 1008) und aus dem Eingriff gelöst sind und das Verbrennungsmotor-CR hoch ist (Verlauf 1012).
Bei t1 nimmt die Verbrennungsmotorlast auf ein Niveau zu, das eine Erhöhung des Aufladedrucks verlangt. Die Erhöhung kann aus einer Anforderung einer erhöhten Beschleunigung des Fahrzeugs resultieren. Der resultierende MAP in dem Ansaugkrümmer nimmt über einen ersten Schwellenwert 1003 zu. Über dem ersten Schwellenwert 1003 ist eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Klopfens des Verbrennungsmotors erhöht. Als Reaktion darauf, dass der MAP den ersten Schwellenwert 1003 überschreitet, wird das DCV zum Beispiel durch Erregen eines Elektromagneten, der die Bewegung einer Spule in dem DCV herbeiführt, in die zweite Position verschoben. Das Anpassen des DCV ändert einen Hydraulikdruck der Ölkammern, wodurch ein Druck in den Ölkammern, die die HCR-Verriegelungsstifte aufnehmen, verringert wird und den HCR-Verriegelungsstiften ermöglicht wird, durch eine Kraft, die durch Zugfedern auf die HCR-Verriegelungsstifte ausgeübt wird, zurückgezogen zu werden. Das Zurückziehen der HCR-Verriegelungsstifte ermöglicht, dass eine Position der Exzenter relativ zu den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle variiert wird, wodurch eine Höhe der Kolben, die an die Exzenter über Pleuel gekoppelt sind, verändert wird.
Nach einem kurzen Zeitraum, in dem der Druck sich aufbauen kann, nimmt der Druck in den Ölkammern, die die LCR-Verriegelungsstifte aufnehmen, ausreichend zu, um die LCR-Verriegelungsstifte aus der Ölkammer herauszudrücken, um mit Arretierungen in einer ersten seitlichen Fläche der Exzenter in Eingriff zu treten. Das Verbrennungsmotor-CR wechselt zu dem niedrigeren CR, wenn die Exzenter durch die LCR-Verriegelungsstifte in ihrer Position verriegelt sind.
Bei t2 nimmt die die Motorlast zum Beispiel aufgrund einer Abwärtsfahrt des Fahrzeugs ab. Die Aufladeanforderung wird reduziert, womit der Aufladedruck abnimmt und der MAP abnimmt und bei t2 unter einen zweiten Schwellenwert 1005 fällt. Während der zweite Schwellenwert 1005 der Darstellung nach geringer als der erste Schwellenwert 1003 ist, kann in anderen Beispielen der zweite Schwellenwert 1005 gleich wie oder höher als der erste Schwellenwert 1003 sein. Der zweite Schwellenwert 1005 kann ein MAP-Niveau sein, unter dem ein Drehmomentbedarf gering genug ist, um Kraftstoffeffizienz priorisieren zu können, während ausreichend Drehmoment zugeführt wird. Eine Wahrscheinlichkeit eines Klopfens des Verbrennungsmotors bei dem niedrigen CR des Verbrennungsmotors wird reduziert. Um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, kann der VCR-Mechanismus an die Konfiguration mit einem hohem CR angepasst werden.
Das DCV wird durch Erregen des Elektromagneten, um die Spule in eine entgegengesetzte Richtung zu dem Verschieben der Spule in die zweiter Position zu verschieben, in die erste Position angepasst. Durch die Anordnung des DCV in der ersten Position wird der Druck in den Ölkammern, die die LCR-Verriegelungsstifte aufnehmen, abgelassen, wobei den LCR-Verriegelungsstiften ermöglicht wird, durch die Zugfedern in die Ölkammer zurückgezogen zu werden und den Exzentern ermöglicht wird, sich relativ zu den Kurbelzapfen zu drehen, wobei die Höhen der Kolben verändert wird. Gleichzeitig nimmt der Hydraulikdruck in den Ölkammern, die die HCR-Verriegelungsstifte aufnehmen, zu, wobei er einen kurzen Zeitraum nach t 2 schließlich einen ausreichend hohen Druck erreicht, um die Federkraft der Zugfedern zu überwinden und die HCR-Verriegelungsstifte aus den Ölkammern drückt.
Wenn die Ausrichtung der Exzenter modifiziert wird, treten die HCR-Verriegelungsstifte mit Arretierungen in einer zweiten seitlichen Fläche der Exzenter, gegenüber von der ersten seitlichen Fläche, in Eingriff, wobei die Exzenter in der Konfiguration mit einem hohen CR verriegelt werden und die Kolbenhöhen relativ zu der Konfiguration mit einem niedrigeren CR verringert werden.
Auf diese Weise kann ein VCR-Mechanismus ein Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines mechanischen Systems anpassen, das keine zusätzlichen Getriebe oder Motoren zur Betätigung beinhaltet und ein Massengleichgewicht in dem Verbrennungsmotor durch Positionieren einer Vielzahl von Exzentern an zu den Verbrennungsmotorkolben distalen Pleuelenden erhält. Der Verbrennungsmotor kann durch eine Kombination aus der Vielzahl von Exzentern, die dazu ausgelegt sind, die Kolbenhöhe zu variieren, Verriegelungsstiften, um eine Position der Exzenter zu erhalten, die zwischen einem ersten Verriegelungsstift, der das hohe CR erhält, und einem zweiten Verriegelungsstift, der das niedrige CR erhält, wechseln, zwischen einem höheren CR und einem niedrigeren CR angepasst werden. Das Ineingrifftreten/Lösen des Eingriffs der Verriegelungsstifte mit den Exzentern kann durch ein Ventil gesteuert werden, das einen Ölstrom leitet, um den Hydraulikdruck in dem VCR-Mechanismus zu variieren. Der Hydraulikdruck konkurriert mit Kräften, die auf die Verriegelungsstifte durch Federn ausgeübt werden, und der Hydraulikdruck kann erhöht werden, um die Federkraft zu überwinden, um die Verriegelungsstifte in aufnehmende Arretierungen der Exzenter einzuführen, oder verringert werden, um das Zurückziehen der Verriegelungsstifte von den Exzentern weg zu ermöglichen. Durch mechanisches Verriegeln des CR des Verbrennungsmotors und Anpassen des CR auf Grundlage des Hydraulikdrucks, der von Ölkanälen in dem Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, werden NVH-Probleme, die sich aus der Verwendung komplexer Getriebesysteme ergeben, ausgeschlossen und führt der VCR-Mechanismus kein zusätzliches Gewicht, keine zusätzlichen Kosten oder Motoren für den Verbrennungsmotor ein. Der VCR-Mechanismus ist nachrüstbar und kann an eine Vielfalt von Verbrennungsmotorarten und -konfigurationen angepasst werden.
Der technische Effekt des Konfigurierens des Verbrennungsmotors mit dem in der vorliegenden Schrift offenbarten VCR-Mechanismus besteht darin, dass eine Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors bei geringen Verbrennungsmotorlasten erhöht wird, während eine ausreichende Leistungsausgabe und Klopfminderung bei hohen Verbrennungsmotorlasten bereitgestellt wird.
In einer anderen Darstellung beinhaltet ein System mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR) einen ersten Abschnitt mit einem Exzenter, der an einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei der Exzenter dazu ausgelegt ist, sich mit dem Kurbelzapfen zu drehen, wenn er sich in einer verriegelte Position befindet, und sich um den Kurbelzapfen zu drehen, wenn er sich in einer entriegelten Position befindet, einen zweiten Abschnitt mit einem ersten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, mit einem ersten Aufnahmeschlitz an einer ersten Seite des Exzenters in Eingriff zu treten, und einem zweiten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, mit einem zweiten Aufnahmeschlitz an einer zweiten Seite des Exzenters, gegenüber von der ersten Seite, in Eingriff zu treten, und ein Ventil, das dazu ausgelegt ist, den Hydraulikdruck in dem zweiten Abschnitt zu regeln. In einem ersten Beispiel des Systems ist das Ventil zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position anpassbar, wobei die erste Position dazu ausgelegt ist, einen höheren Druck auf den ersten Verriegelungsstift und einen geringeren Druck auf den zweiten Verriegelungsstift auszuüben und die zweite Position dazu ausgelegt ist, einen geringeren Druck auf den ersten Verriegelungsstift und einen höheren Druck auf den zweiten Verriegelungsstift auszuüben. Ein zweites Beispiel des Systems beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass der geringere Druck sowohl auf dem ersten Verriegelungsstift als auch auf dem zweiten Verriegelungsstift eine Kraft auf den ersten und den zweiten Verriegelungsstift ausübt, die geringer als eine entgegengesetzte Kraft ist, die auf den ersten und den zweiten Verriegelungsstift durch Zugfedern, die an den ersten und den zweiten Verriegelungsstift gekoppelt sind, ausgeübt wird. Ein drittes Beispiel des Systems beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass der Eingriff des Exzenters mit dem ersten oder dem zweiten Verriegelungsstift eine Ausrichtung des Exzenters in Bezug auf den Kurbelzapfen erhält und das Lösen des Eingriffs des ersten oder zweiten Verriegelungsstifts mit dem Exzenter den Exzenter von dem Kurbelzapfen entriegelt, um die Ausrichtung des Exzenters zu variieren.
Es ist anzumerken, dass die in der vorliegenden Schrift beinhalteten beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Verbrennungsmotor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die in der vorliegenden Schrift offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und durch das Steuersystem, einschließlich der Steuerung, in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Verbrennungsmotorhardware ausgeführt werden. Die in der vorliegenden Schrift beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der in der vorliegenden Schrift beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Zudem können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Verbrennungsmotorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die verschiedenen Verbrennungsmotorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung beinhaltet, ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die in der vorliegenden Schrift offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehende Technik auf V6-, 14-, I6-, V12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Verbrennungsmotorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Auslegungen und sonstige in der vorliegenden Schrift offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
In einem Beispiel beinhaltet ein Mechanismus mit einem variablen Verdichtungsverhältnis einen Exzenter mit einer ersten Arretierung und einer zweiten Arretierung, wobei die erste und die zweite Arretierung auf gegenüberliegenden Seiten des Exzenters angeordnet sind und 180 Grad relativ zueinander um einen Umfang des Exzenters positioniert sind, wobei der Exzenter dazu ausgelegt ist, zwischen einer verriegelten Position und einer entriegelten Position angepasst zu werden, einen ersten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die erste Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer ersten Ölkammer aufgenommen ist, einen zweiten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die zweite Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer zweiten Ölkammer aufgenommen ist, und ein Ventil, das fluidisch an die erste Ölkammer und die zweite Ölkammer gekoppelt ist. In einem ersten Beispiel des Mechanismus befindet sich der Exzenter in der verriegelten Position, wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung in Eingriff steht, oder alternativ, wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung in Eingriff steht. Ein zweites Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner Federn, die an jeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift gekoppelt sind, wobei die Federn eine Kraft auf die Verriegelungsstifte ausüben, die einer Kraft, die durch einen Hydraulikdruck auf die Verriegelungsstifte ausgeübt wird, entgegenwirkt. Ein drittes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass der Exzenter an einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei sich der Kurbelzapfen durch eine Öffnung des Exzenters erstreckt und an ein Ende eines Pleuels, der sich zwischen dem Exzenter und einem Kolben erstreckt, gekoppelt ist. Ein viertes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Mechanismus und beinhaltet ferner, dass ein Lager zwischen dem Exzenter und dem Kurbelzapfen angeordnet ist und fest an den Exzenter gekoppelt ist. Ein fünftes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Mechanismus und beinhaltet ferner, dass sich der Exzenter in der verriegelten Position befindet, wenn ein Öldruck in der ersten Kammer höher als ein Öldruck in der zweiten Kammer ist und der erste Verriegelungsstift von der ersten Ölkammer vorsteht, wobei der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist. Ein sechstes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis fünften Mechanismus und beinhaltet ferner, dass wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dickerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und der VCR-Mechanismus sich in einer Konfiguration mit einem höheren Verdichtungsverhältnis befindet. Ein siebtes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis sechsten Mechanismus und beinhaltet ferner, dass sich der Exzenter in der verriegelten Position befindet, wenn ein Öldruck in der zweiten Kammer höher als ein Öldruck in der ersten Kammer ist und der zweite Verriegelungsstift von der zweiten Ölkammer vorsteht, wobei der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist. Ein achtes Beispiel des Mechanismus beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis siebten Mechanismus und beinhaltet ferner, dass wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dünnerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und der VCR-Mechanismus sich in einer Konfiguration mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis befindet.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren als Reaktion auf einen Befehl zum Anpassen des Verdichtungsverhältnisses des VCR-Verbrennungsmotors das Anpassen eines Hydraulikdrucks, der einem VCR-Mechanismus zugeführt wird, um die Positionen eines ersten Verriegelungsstifts und eines zweiten Verriegelungsstifts des VCR-Mechanismus relativ zu einem Exzenter des VCR-Mechanismus zu wechseln, wobei der Exzenter einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle des VCR-Verbrennungsmotors umgibt. In einem ersten Beispiel des Verfahrens beinhaltet das Anpassen eines Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren einer Position eines Ventils, um Öl mit einem höheren Druck in eine erste Ölkammer zu strömen, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den ersten Verriegelungsstift aufnimmt, und eine zweite Ölkammer, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den zweiten Verriegelungsstift aufnimmt, fluidisch mit einem Ölbehälter mit einem geringeren Druck zu koppeln. Ein zweites Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die erste Ölkammer einen Druck in der ersten Ölkammer erhöht und den ersten Verriegelungsstift aus der ersten Kammer herausdrückt, um gegen ein erste seitliche Fläche des Exzenters, der sich um den Kurbelzapfen dreht, zu drücken, um den ersten Verriegelungsstift in die erste Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer ersten Position zu verriegeln, wenn der erste Verriegelungsstift und die erste Arretierung ausgerichtet sind. Ein drittes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass das Anpassen des Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren der Position des Ventils beinhaltet, um Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer zu strömen und die erste Ölkammer fluidisch an den Ölbehälter mit dem geringeren Druck zu koppeln. Ein viertes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels und beinhaltet ferner, dass das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer einen Druck in der zweiten Ölkammer erhöht und den zweiten Verriegelungsstift aus der zweiten Kammer herausdrückt, um gegen ein zweite seitliche Fläche des Exzenters zu drücken, wobei die zweite seitliche Fläche der ersten seitlichen Fläche gegenüberliegt, um den zweiten Verriegelungsstift in die zweite Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer zweiten Position zu verriegeln, wenn der zweite Verriegelungsstift und die zweite Arretierung ausgerichtet sind. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels und beinhaltet ferner, dass das Anpassen des Exzenters zwischen der ersten Position und der zweiten Position das Lösen des Eingriffs des ersten und des zweiten Verriegelungsstifts und das Ermöglichen, dass der Exzenter sich um 180 Grad relativ zu dem Kurbelzapfen dreht beinhaltet. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis fünften Beispiels und beinhaltet ferner das Ausüben einer Kraft auf jeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift durch eine Feder, die an jeden der Verriegelungsstifte gekoppelt ist, wobei die Feder eine Kraft auf den ersten und den zweiten Verriegelungsstift ausübt, um den ersten und den zweiten Verriegelungsstift in die erste bzw. die zweite Ölkammer zu ziehen und der Bewegung des ersten Verriegelungsstifts und des zweiten Verriegelungsstifts, wie durch Öldruck erzwungen, entgegenwirkt. Ein siebtes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis sechsten Beispiels und beinhaltet ferner dass das Reduzieren des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, ermöglicht, die Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, zu überwinden und das Erhöhen des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, ermöglicht, die Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, zu überwinden.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Kurbelzapfen, wobei jeder Kurbelzapfen an einen Verbrennungsmotorkolben gekoppelt ist, einen VCR-Mechanismus, der eine Vielzahl von Exzentern, wobei jeder Exzenter an einen Kurbelzapfen der Vielzahl der Kurbelzapfen gekoppelt ist, und eine Vielzahl von Verriegelungsstiften beinhaltet, die Sätze von zwei Verriegelungsstiften auf gegenüberliegenden Seiten jedes Kurbelzapfens beinhalten und dazu ausgelegt sind, mit einem entsprechenden Exzenter der Vielzahl von Exzentern in Eingriff zu treten, ein Ventil, das dazu ausgelegt ist, eine Positionierung der Vielzahl von Verriegelungsstiften anzupassen, und eine Steuerung, die einen Speicher mit darauf gespeicherten Informationen beinhaltet, die dazu ausführbar sind, das Ventil zu betätigen, um die Positionen der Vielzahl von Verriegelungsstiften durch Variieren eines Hydraulikdrucks in dem VCR-Mechanismus anzupassen, um der Vielzahl von Exzentern zu ermöglichen, sich in Bezug auf die Vielzahl von Kurbelzapfen zu drehen und als Reaktion auf eine erfasste Änderung der Verbrennungsmotordrehzahl eine Höhe der Verbrennungsmotorkolben zu variieren, wobei die Höhe der Verbrennungsmotorkolben einem Verdichtungsverhältnis des VCR-Verbrennungsmotors entspricht. In einem ersten Beispiel des Verbrennungsmotors ist die Vielzahl von Exzentern an die Verbrennungsmotorkolben durch Pleuel, die sich zwischen den Kolben und der Vielzahl von Exzentern erstrecken, gekoppelt und die Vielzahl von Exzentern ist mit zu den Kolben distalen Enden der Pleuel verbunden.
Die folgenden Patentansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Patentansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente beinhalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Umfang aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Mechanismus mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR) bereitgestellt, der Folgendes aufweist: einen Exzenter mit einer ersten Arretierung und einer zweiten Arretierung, wobei die erste und die zweite Arretierung auf gegenüberliegenden Seiten des Exzenters angeordnet sind und 180 Grad relativ zueinander um einen Umfang des Exzenters positioniert sind, wobei der Exzenter dazu ausgelegt ist, zwischen einer verriegelten Position und einer entriegelten Position angepasst zu werden; einen ersten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die erste Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer ersten Ölkammer aufgenommen ist; einen zweiten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die zweite Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer zweiten Ölkammer aufgenommen ist; und ein Ventil, das fluidisch an die erste Ölkammer und die zweite Ölkammer gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der Exzenter in der verriegelten Position, wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung in Eingriff steht, oder alternativ, wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung in Eingriff steht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch Federn gekennzeichnet, die an jeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift gekoppelt sind, wobei die Federn eine Kraft auf die Verriegelungsstifte ausüben, die einer Kraft, die durch einen Hydraulikdruck auf die Verriegelungsstifte ausgeübt wird, entgegenwirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Exzenter an einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt, wobei sich der Kurbelzapfen durch eine Öffnung des Exzenters erstreckt und an ein Ende eines Pleuels, der sich zwischen dem Exzenter und einem Kolben erstreckt, gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Lager zwischen dem Exzenter und dem Kurbelzapfen angeordnet und fest an den Exzenter gekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der Exzenter in der verriegelten Position, wenn ein Öldruck in der ersten Kammer höher als ein Öldruck in der zweiten Kammer ist und der erste Verriegelungsstift von der ersten Ölkammer vorsteht, wobei der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist, wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dickerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und befindet sich der VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem höheren Verdichtungsverhältnis.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der Exzenter in der verriegelten Position, wenn ein Öldruck in der zweiten Kammer höher als ein Öldruck in der ersten Kammer ist und der zweite Verriegelungsstift von der zweiten Ölkammer vorsteht, wobei der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist, wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dünnerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und befindet sich der VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR): als Reaktion auf einen Befehl zum Anpassen des Verdichtungsverhältnisses des VCR-Verbrennungsmotors das Anpassen eines Hydraulikdrucks, der einem VCR-Mechanismus zugeführt wird, um die Positionen eines ersten Verriegelungsstifts und eines zweiten Verriegelungsstifts des VCR-Mechanismus relativ zu einem Exzenter des VCR-Mechanismus zu wechseln, wobei der Exzenter einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle des VCR-Verbrennungsmotors umgibt.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Anpassen eines Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren einer Position eines Ventils, um Öl mit einem höheren Druck in eine erste Ölkammer zu strömen, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den ersten Verriegelungsstift aufnimmt, und eine zweite Ölkammer, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den zweiten Verriegelungsstift aufnimmt, fluidisch mit einem Ölbehälter mit einem geringeren Druck zu koppeln.
Gemäß einer Ausführungsform erhöht das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die erste Ölkammer einen Druck in der ersten Ölkammer und drückt den ersten Verriegelungsstift aus der ersten Kammer heraus, um gegen ein erste seitliche Fläche des Exzenters, der sich um den Kurbelzapfen dreht, zu drücken, um den ersten Verriegelungsstift in die erste Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer ersten Position zu verriegeln, wenn der erste Verriegelungsstift und die erste Arretierung ausgerichtet sind.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Anpassen des Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren der Position des Ventils, um Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer zu strömen und die erste Ölkammer fluidisch an den Ölbehälter mit dem geringeren Druck zu koppeln.
Gemäß einer Ausführungsform erhöht das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer einen Druck in der zweiten Ölkammer und drückt den zweiten Verriegelungsstift aus der zweiten Kammer heraus, um gegen ein zweite seitliche Fläche des Exzenters zu drücken, wobei die zweite seitliche Fläche der ersten seitlichen Fläche gegenüberliegt, um den zweiten Verriegelungsstift in die zweite Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer zweiten Position zu verriegeln, wenn der zweite Verriegelungsstift und die zweite Arretierung ausgerichtet sind.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Anpassen des Exzenters zwischen der ersten Position und der zweiten Position das Lösen des Eingriffs des ersten und des zweiten Verriegelungsstifts und das Ermöglichen, dass der Exzenter sich um 180 Grad relativ zu dem Kurbelzapfen dreht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch Ausüben einer Kraft auf jeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift durch eine Feder, die an jeden der Verriegelungsstifte gekoppelt ist, gekennzeichnet, wobei die Feder eine Kraft auf den ersten und den zweiten Verriegelungsstift ausübt, um den ersten und den zweiten Verriegelungsstift in die erste bzw. die zweite Ölkammer zu ziehen und der Bewegung des ersten Verriegelungsstifts und des zweiten Verriegelungsstifts, wie durch Öldruck erzwungen, entgegenwirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ermöglicht das Reduzieren des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, die Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, zu überwinden und ermöglicht das Erhöhen des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, die Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, zu überwinden.
Gemäß einer Ausführungsform verriegelt das Verriegeln des Exzenters in der ersten Position oder in der zweiten Position den Exzenter an der Kurbelwelle, sodass der Exzenter sich gleichzeitig mit dem Kurbelzapfen dreht, wenn sich die Kurbelwelle dreht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR) bereitgestellt, der Folgendes aufweist: eine Kurbelwelle, die eine Vielzahl von Kurbelzapfen beinhaltet, wobei jeder Kurbelzapfen an einen Verbrennungsmotorkolben gekoppelt ist; einen VCR-Mechanismus, der eine Vielzahl von Exzentern, wobei jeder Exzenter an einen Kurbelzapfen der Vielzahl der Kurbelzapfen gekoppelt ist, und eine Vielzahl von Verriegelungsstiften beinhaltet, die Sätze von zwei Verriegelungsstiften auf gegenüberliegenden Seiten jedes Kurbelzapfens beinhalten und dazu ausgelegt sind, mit einem entsprechenden Exzenter der Vielzahl von Exzentern in Eingriff zu treten; ein Ventil, das dazu ausgelegt ist, eine Positionierung der Vielzahl von Verriegelungsstiften anzupassen; und eine Steuerung, die einen Speicher mit darauf gespeicherten Informationen beinhaltet, die dazu ausführbar sind: das Ventil zu betätigen, um die Positionen der Vielzahl von Verriegelungsstiften durch Variieren eines Hydraulikdrucks in dem VCR-Mechanismus anzupassen, um der Vielzahl von Exzentern zu ermöglichen, sich in Bezug auf die Vielzahl von Kurbelzapfen zu drehen und als Reaktion auf eine erfasste Änderung der Verbrennungsmotordrehzahl eine Höhe der Verbrennungsmotorkolben zu variieren, wobei die Höhe der Verbrennungsmotorkolben einem Verdichtungsverhältnis des VCR-Verbrennungsmotors entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vielzahl von Exzentern an die Verbrennungsmotorkolben durch Pleuel, die sich zwischen den Kolben und der Vielzahl von Exzentern erstrecken, gekoppelt und ist die Vielzahl von Exzentern mit zu den Kolben distalen Enden der Pleuel verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 205638695 [0005]

Claims

Mechanismus mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (variable compression ratio - VCR), umfassend: einen Exzenter mit einer ersten Arretierung und einer zweiten Arretierung, wobei die erste und die zweite Arretierung auf gegenüberliegenden Seiten des Exzenters angeordnet sind und 180 Grad relativ zueinander um einen Umfang des Exzenters positioniert sind, wobei der Exzenter dazu ausgelegt ist, zwischen einer verriegelten Position und einer entriegelten Position angepasst zu werden; einen ersten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die erste Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer ersten Ölkammer aufgenommen ist; einen zweiten Verriegelungsstift, der dazu ausgelegt ist, in die zweite Arretierung des Exzenters eingeführt zu werden und in einer zweiten Ölkammer aufgenommen ist; und ein Ventil, das fluidisch an die erste Ölkammer und die zweite Ölkammer gekoppelt ist.
VCR-Mechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend Federn, die an jeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift gekoppelt sind, wobei die Federn eine Kraft auf die Verriegelungsstifte ausüben, die einer Kraft, die durch einen Hydraulikdruck auf die Verriegelungsstifte ausgeübt wird, entgegenwirkt.
VCR-Mechanismus nach Anspruch 1, wobei sich der Exzenter in der verriegelten Position befindet, wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung in Eingriff steht oder alternativ, wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung in Eingriff steht, und wobei der Exzenter an einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei sich der Kurbelzapfen durch eine Öffnung des Exzenters erstreckt und an ein Ende eines Pleuels, der sich zwischen dem Exzenter und einem Kolben erstreckt, gekoppelt ist.
VCR-Mechanismus nach Anspruch 3, wobei ein Lager zwischen dem Exzenter und dem Kurbelzapfen angeordnet ist und fest an den Exzenter gekoppelt ist.
VCR-Mechanismus nach Anspruch 3, wobei sich der Exzenter in der verriegelten Position befindet, wenn ein Öldruck in der ersten Kammer höher als ein Öldruck in der zweiten Kammer ist und der erste Verriegelungsstift von der ersten Ölkammer vorsteht, wobei der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist und wobei sich der Exzenter in der verriegelten Position befindet, wenn ein Öldruck in der zweiten Kammer höher als ein Öldruck in der ersten Kammer ist und der zweite Verriegelungsstift von der zweiten Ölkammer vorsteht, wobei der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters ausgerichtet ist.
VCR-Mechanismus nach Anspruch 5, wobei wenn der erste Verriegelungsstift mit der ersten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dickerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und sich der VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem höheren Verdichtungsverhältnis befindet und wobei wenn der zweite Verriegelungsstift mit der zweiten Arretierung des Exzenters in Eingriff steht, ein dünnerer Abschnitt des Exzenters über einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, was einer OT-Position des Kolbens entspricht, und sich der VCR-Mechanismus in einer Konfiguration mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis befindet.
Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (VCR), umfassend: als Reaktion auf einen Befehl zum Anpassen des Verdichtungsverhältnisses des VCR-Verbrennungsmotors Anpassen eines Hydraulikdrucks, der einem VCR-Mechanismus zugeführt wird, um die Positionen eines ersten Verriegelungsstifts und eines zweiten Verriegelungsstifts des VCR-Mechanismus relativ zu einem Exzenter des VCR-Mechanismus zu wechseln, wobei der Exzenter einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle des VCR-Verbrennungsmotors umgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anpassen eines Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren einer Position eines Ventils beinhaltet, um Öl mit einem höheren Druck in eine erste Ölkammer zu strömen, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den ersten Verriegelungsstift aufnimmt, und eine zweite Ölkammer, die innerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und den zweiten Verriegelungsstift aufnimmt, fluidisch mit einem Ölbehälter mit einem geringeren Druck zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die erste Ölkammer einen Druck in der ersten Ölkammer erhöht und den ersten Verriegelungsstift aus der ersten Kammer herausdrückt, um gegen ein erste seitliche Fläche des Exzenters, der sich um den Kurbelzapfen dreht, zu drücken, um den ersten Verriegelungsstift in die erste Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer ersten Position zu verriegeln, wenn der erste Verriegelungsstift und die erste Arretierung ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anpassen des Hydraulikdrucks des VCR-Mechanismus das Variieren der Position des Ventils beinhaltet, um Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer zu strömen und die erste Ölkammer fluidisch an den Ölbehälter mit dem geringeren Druck zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Strömen von Öl mit einem höheren Druck in die zweite Ölkammer einen Druck in der zweiten Ölkammer erhöht und den zweiten Verriegelungsstift aus der zweiten Kammer herausdrückt, um gegen ein zweite seitliche Fläche des Exzenters zu drücken, wobei die zweite seitliche Fläche der ersten seitlichen Fläche gegenüberliegt, um den zweiten Verriegelungsstift in die zweite Arretierung zu schieben und den Exzenter in einer zweiten Position zu verriegeln, wenn der zweite Verriegelungsstift und die zweite Arretierung ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anpassen des Exzenters zwischen der ersten Position und der zweiten Position das Lösen des Eingriffs des ersten und des zweiten Verriegelungsstifts und das Ermöglichen, dass der Exzenter sich um 180 Grad relativ zu dem Kurbelzapfen dreht, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend Ausüben einer Kraft aufjeden von dem ersten Verriegelungsstift und dem zweiten Verriegelungsstift durch eine Feder, die an jeden der Verriegelungsstifte gekoppelt ist, wobei die Feder eine Kraft auf den ersten und den zweiten Verriegelungsstift ausübt, um den ersten und den zweiten Verriegelungsstift in die erste bzw. die zweite Ölkammer zu ziehen und der Bewegung des ersten Verriegelungsstifts und des zweiten Verriegelungsstifts, wie durch Öldruck erzwungen, entgegenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Reduzieren des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, ermöglicht, die Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, zu überwinden und das Erhöhen des Öldrucks in der ersten Ölkammer oder der zweiten Ölkammer der Kraft, die durch den Öldruck ausgeübt wird, ermöglicht, die Kraft, die durch die Feder auf den ersten Verriegelungsstift oder den zweiten Verriegelungsstift ausgeübt wird, zu überwinden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verriegeln des Exzenters in der ersten Position oder in der zweiten Position den Exzenter an der Kurbelwelle verriegelt, sodass der Exzenter sich gleichzeitig mit dem Kurbelzapfen dreht, wenn sich die Kurbelwelle dreht.