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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Pleuel zur Verstellung einer effektiven Pleuellänge für eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis sowie eine Brennkraftmaschine mit einem Pleuel.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuellänge bekannt.
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Nach den gesetzlichen Anforderungen für die Onboard Diagnose (OBD) von Kraftfahrzeugen muss das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine während des Motorbetriebes bestimmt werden können. Das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch die aktuelle Pleuelstangenlänge bei einem Pleuel mit veränderlicher Pleuelstangenlänge geändert. Die Pleuelstangenlänge kann beispielsweise über eine Verdrehung eines Exzenters variiert. Stand der Technik zur Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses ist die Erfassung der Pleuelstangenlänge über eine entsprechende Gebergeometrie, welche am jeweiligen Kolben der Brennkraftmaschine angebracht ist. Beispielsweise kann eine Messung der Pleuellänge über einen Sensor, der einen im Verbrennungskolben eingebauten Geber, beispielsweise einen Magneten, erfolgen. Dies bedingt eine für den Anwendungsfall spezifische Designänderung vorhandener Verbrennungskolben in einem Kolbenmotor.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel mit einer Erkennung der Pleuelstangenlänge zu schaffen, der einfach zu montieren und hoch belastbar ist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, Brennkraftmaschine mit einem derartigen Pleuel anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgeschlagen, umfassend ein Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ein Pleuellagerauge zur Anbindung des Pleuels an einen Zylinderkolben der Brennkraftmaschine, und Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge. Weiter ist eine Vorrichtung zur Lageerkennung des Pleuels vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sind im Bereich des Pleuels wenigstens eine Kolbenkühleinheit mit einer Kolbenkühldüse sowie ein Sensor zur Lageerkennung des Pleuels vorgesehen.
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Die Erfindung erlaubt eine einfach montierbare Lageerkennung des Pleuels, wobei kein bzw. nahezu kein zusätzlicher Bauraum erforderlich ist.
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Die Kolbenkühleinheit und der Sensor können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform als Modul ausgebildet sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem Pleuel vorgeschlagen. Dabei kann vorteilhaft ein Pleuel wie vorstehend beschrieben mit einer Kolbenkühleinheit sowie einem Sensor aufweisen. Damit können die gesetzlichen Anforderungen der Onboard Diagnose (OBD) erfüllt werden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 einen erfindungsgemäßen Pleuel in Seitenansicht mit der eingezeichneten Schnittebene A-A;
- 2 den erfindungsgemäßen Pleuel gemäß 1 in Vorderansicht;
- 3 den Pleuel gemäß 1 im Längsschnitt der Schnittebene A-A;
- 4 den erfindungsgemäßen Pleuel mit einem Modul zur Lageerkennung mit schematisch dargestelltem Zylinderkolben und Zylinder;
- 5 eine räumliche Darstellung des Moduls zur Lagererkennung;
- 6 eine zweite räumliche Darstellung des Moduls zur Lagererkennung; und
- 7 eine dritte räumliche Darstellung des Moduls zur Lagererkennung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche als Abstand der Mittelachse eines Hublagerauges 12 von der Mittelachse der Bohrung eines Exzenters 4 definiert ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 weist den mit einem ein oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkenden Exzenter 4 auf, in welchem ein nicht dargestellter Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist mittels eines Umschaltventils 5 verstellbar. Die Verstelleinrichtung 2 ist nicht zwangsläufig als Exzenter-Verstelleinrichtung ausgebildet. Andere bekannte alternative Ausführungen der Verstelleinrichtung sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls denkbar.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massenkräften und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte.
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Die Kolben 6, 7 sind jeweils in einer Zylinderbohrung 8, 9 eines Hydraulikzylinders 14, 15 des Pleuels 1 verschiebbar geführt und mit Stützstangen 10, 11 verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel 3 gelenkig beispielhaft über Zylinderrollen 46, 47 verbunden sind.
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Der Pleuel 1 weist das Hublagerauge 12 zur Anbindung des Pleuels 1 an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sowie ein Pleuellagerauge 13 zur Anbindung des Pleuels 1 an den Zylinderkolben 30 der Brennkraftmaschine auf.
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Die Kolben 6, 7 sind in durch die Zylinderbohrungen 8, 9 gebildete Zylinder 14, 15 als Hydraulikkammern verschiebbar angeordnet und über Zuläufe 16, 17 von dem Hublagerauge 12 aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile 18, 19 beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 14, 15 zurück in die Zuläufe 16, 17, ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 14, 15.
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Die Hydraulikkammern 14, 15 sind weiter über nicht dargestellte Abläufe mit dem Umschaltventil 5 verbunden, welches als Hydraulikventil oder als mechanisches Ventil ausgebildet sein kann und über eine Ablaufleitung 22 mit dem Hublagerauge 12 verbunden ist.
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Wie beispielsweise aus 3 ersichtlich ist, weist der Pleuel 1 einen Pleuelkörper 20 und einen daran befestigten Pleueldeckel 21 auf.
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Auf einem Umfang des Hublagerauges 12 ist im Bereich des Pleuelkörpers 20 eine Nut 23 vorgesehen, in welche die Zuläufe 16, 17 sowie die Ablaufleitung 22 münden. Dadurch, dass die Nut 23 nur auf einem Teil des Umfangs des Hublagerauges 12 angeordnet ist, wird auch die Tragfähigkeit des Lagers in dem Hublagerauge 12 möglichst wenig beeinträchtigt.
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Auch der Aufbau des beschriebenen Pleuels 1 ist nur beispielhaft dargestellt und die Exzenterhebelverbindung kann auch in anderen Ausführungsvarianten eines Pleuels mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung Anwendung finden. So ist es beispielsweise möglich, das Umschaltventil 5 im Bereich des Pleueldeckels 21 anzuordnen. Ferner können die beschriebenen Rückschlagventile 18, 19 im Umschaltventil 5 integriert vorgesehen sein. Auch die hydraulische Versorgung der Hydraulikkammern 14, 15 kann von der beschriebenen Ausführung abweichen.
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Nach den gesetzlichen Anforderungen für die Onboard Diagnose (OBD) von Kraftfahrzeugen muss das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine während des Motorbetriebes bestimmt werden können. Das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch die aktuelle Pleuelstangenlänge bei einem Pleuel mit veränderlicher Pleuelstangenlänge geändert. Daher ist eine Vorrichtung zur Lageerkennung des Pleuels 1 vorgesehen, die erfindungsgemäß im Bereich des Pleuels 1 vorgesehen ist. Die Vorrichtung zur Lageerkennung des Pleuels 1 ist als Sensor 33 vorgesehen, welcher derart angeordnet ist, dass eine Kolbeninnwand oder eine Kolbenaußenwand des Zylinderkolbens 30 mit diesem detektierbar ist.
Im Bereich des Pleuels 1 ist erfindungsgemäß weiter wenigstens eine Kolbenkühleinheit mit einer Kolbenkühldüse 32 vorgesehen.
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Die Kolbenkühleinheit sowie der Sensor 33 können vorteilhafterweise als Modul 31 ausgebildet sein, wodurch die Montage wesentlich vereinfacht werden kann. Eine separate Anordnung ist jedoch ebenfalls denkbar.
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4 zeigt das Pleuel 1 mit dem erfindungsgemäßen Modul 31 sowie mit dem schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellten Zylinderkolben 30 und einem Zylinder 34 der Brennkraftmaschine.
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Das Module 31, welches in den 5 bis 7 in verschiedenen räumlichen Ansichten dargestellt ist, umfasst die Kolbenkühleinheit mit einer Kolbenkühldüse 32 und den Sensor 33. Die Kolbenkühldüse 32 ist bevorzugt als eine dem Zylinder 34 zugeordnete Spritzdüse ausgebildet, welche Kühlmittel in einen, dem Brennraum abgewandten Zylinderinnenraum 35 einspritzt und damit den Zylinderkolben 30 vor Überhitzung und damit die Brennkraftmaschine vor schweren Schäden schützt. Durch die Hitze der Verbrennung herrschen im Zylinder 34 und damit am Kolbenboden sehr hohe Temperaturen, bei Stahlkolben etwa über 500°C.
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Hierzu ist das Modul 31 im Bereich eines Kolbenhemdes des Zylinderkolbens 30, direkt am Kolbenhemd, am Zylinder 34 oder einem anderen geeigneten Bauteil der Brennkraftmaschine angeordnet.
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Der Sensor 33 ist vorzugsweise als induktiver Schalter oder Näherungssensor - beispielsweise als Wirbelstromsensor (berührungsloser Schalter) ausgebildet. Der Vorteil dieser Sensorausführungen ist, dass kein Permanent-Magnet benötigt wird. Alternativ kann beispielsweise ein Hall-Sensor eingesetzt werden.
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Die Bauform des Sensors 33 kann unterschiedlich vorgesehen sein, solange der Bauraum ausreichend ist. So sind eine quaderförmige oder eine runde Außenform, sowie eine Außenform mit Außengewinde denkbar.
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Die Kolbenkühldüse 32 und der Sensor 33 können auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden werden. Denkbar ist beispielsweise eine Verbindung mittels Hartlöten. Alternativ kann die Verbindung durch eine Kunststoffumspritzung geschaffen werden. Weitere Verbindungsarten (kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen) auch kombiniert sind im Rahmen der Erfindung möglich.
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Aufgrund der hohen Temperaturen im Zylinder 34 weist der Sensor 33 ein Metall- oder Kunststoffgehäuse aufweist, welches einer Temperatur über 150°C standhält.
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Die in der Brennkraftmaschine vorgesehene Module 31 können derart verbunden sein, dass alle Zylinderkolben 30 gemeinsam detektierbar sind und nur ein Ausgangskabel notwendig ist.
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Da ein solches Modul 31 auf einfache Weise in den vorhandenen Bauraum integrierbar ist, stellt die Anordnung eine sehr kostengünstige und zugleich robuste Lösung für die Erfassung der Pleuelstangenlänge des Pleuels 1 und damit des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine dar.
