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Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (nachfolgend auch als Verbrennungskraftmaschine (VKM) bezeichnet). Bei dieser Pleuelstange ist der Kolbenbolzen exzentrisch im kleinen Pleuelauge gelagert. Ein variables Verdichtungsverhältnis wird nachfolgend auch als VCR (= variable compression ratio) abgekürzt; entsprechend wird die erfindungsgemäße Pleuelstange auch als VCR-Pleuel bezeichnet. Im Übrigen werden im Zusammenhang mit der Erfindung die Begriffe „Pleuel“ und „Pleuelstange“ synonym verwendet.
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Die Hauptmotivation eines variablen Verdichtungsverhältnisses ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Es gibt verschiedene Alternativen, ein VCR zu realisieren. Wichtige Aspekte bei der Auswahl einer geeigneten Alternative sind die erforderlichen konstruktiven Änderungen an einer herkömmlichen Brennkraftmaschine und die Kosten.
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Stand der Technik
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VCR-Pleuel zur Realisierung einer variablen Verdichtung bei Verbrennungskraftmaschinen gehören zum Stand der Technik. Die
DE 10 2005 055 199 A1 beschreibt ein VCR-Pleuel bei dem die effektive Pleuellänge durch Verdrehen eines im kleinen Pleuelauge gelagerten Exzenters herbeigeführt wird. Dabei wird die Exzenterdrehung einerseits durch die während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine auf den Kolbenbolzen wirkenden Kräfte und andererseits durch eine hydraulische Abstützmechanik bewirkt.
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Die aus der
DE 10 2005 055 199 A1 bekannte Abstützmechanik besteht aus einem Paar von hydraulischen Aktuatoren (Hydraulikzylinder), deren Kolben sich jeweils auf fluidgefüllten Stützkammern abstützen. Wenn Hydrauliköl in eine der beiden Stützkammern geleitet wird (und in gleichem Maße Hydrauliköl aus der anderen Stützkammer abfließt) dreht sich der Exzenter im kleinen Pleuelauge und das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ändert sich. Aus der
DE 10 2018 120 002 B3 ist ein längenverstellbares oder -variables Pleuel zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein Stützkolben kann durch eine am Pleueloberteil angebrachte Sperrklinke arretiert werden.
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Aus der
EP 1 426 584 A1 ist ein längenverstellbares Pleuel zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher ein Exzenter am oberen Pleuelauge des Pleuels in seinen beiden Endstellungen mittels zwei Sperrklinken arretierbar ist.
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Das Entsperren der Arretierung erfolgt mechanisch über eine an den Sperrklinken angeordnete Rolle, die von einem feststehenden, am Kurbelgehäuse angeordneten Aktuator betätigt wird.
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Aus der
DE 11 2016 002 502 T5 ist ein Türverriegelungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einer Sperrklinke und einem Aktuator bekannt. Der Aktuator umfasst ein Entrieglergehäuse, einen als zweiarmigen Hebel ausgeführten Entriegler und einen Schieber.
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Nach dem in
DE 10 2005 055 199 A1 beschriebenen Aufbau wurden mittlerweile viele unterschiedliche Versuchsmotoren gebaut und getestet. In weiten Teilen des Motorbetriebskennfeldes können Umschaltungen von hohe auf niedrige Verdichtung und umgekehrt problemlos durchgeführt werden. Auch haben die realisierten Konstruktionen vielfach mehrere hundert Stunden dauernde Versuchsprogramme schadenfrei überstanden.
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Allerdings wurde dabei ein Phänomen beobachtet, das man als „Wegdriften nach hoch“ bezeichnen kann. Es tritt auf, wenn der Motor bei niedriger Verdichtung mit hoher Drehzahl betrieben wird. Senkt man bei hoher Drehzahl die Last ab, so beginnen sich ein oder mehrere Pleuel in Richtung „hohe Verdichtung“ zu verstellen, sobald eine Lastschwelle unterschritten wird. Das heißt das oder die Pleuel „driften“ langsam weg, bis zu einer Zwischenstellung und entsprechend einer mittleren Verdichtung, ohne das dafür vorgesehene Schaltventil zu betätigen. Dieser indifferente Zustand ist nicht akzeptabel, weil zu jedem Zeitpunkt das aktuelle Verdichtungsverhältnis bekannt sein muss. Außerdem sollten die Verdichtungsverhältnisse aller Zylinder einer Brennkraftmaschine gleich sein.
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Ein weiteres Problem ist die noch verbesserungsfähige Standfestigkeit der VCR-Pleuel bei Hochleistungsbetrieb mit niedriger Verdichtung. Beobachtet wurden Brüche der Stützstangen, welche die Stützkolben mit dem Exzenter verbinden. Messungen an instrumentierten VCR-Pleueln haben gezeigt, dass vergleichsweise große Exzenterschwingwinkel und in Folge dessen vergleichsweise große Stützdrücke auftreten. Als Exzenterschwingwinkel wird der Winkelbereich bezeichnet, um den sich der Exzenter aufgrund auf ihn wirkenden wechselnden äußeren Kräfte periodisch dreht. Daraus resultieren wiederum bei hydraulisch verriegelten Stützkolben schwellende (Stütz-)Drücke in den Stützzylindern. Es liegt die Vermutung nahe, dass dies die Ursache für aufgetretene Schäden ist.
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Die Gewährleistung eines sicheren Betriebes auch bei hohen Drehzahlen und Leistungen stellt eine unumgängliche Lastenheftanforderung dar. Solange diese Forderung nicht vollumfänglich erfüllt ist, erscheint eine Serienanwendung unwahrscheinlich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein längenvariables Pleuel bereitzustellen, bei welchem das unerwünschte Driften des Exzenters im Pleuelauge wirksam verhindert wird. Außerdem soll das erfindungsgemäße Pleuel auch bei hoher Leistung und niedriger Verdichtung der Brennkraftmaschine zuverlässig und störungsfrei arbeiten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mechanisches Verriegelungssystem für eine längenverstellbare Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine. Das Verriegelungssystem beruht auf formschlüssigen Verriegelungsmitteln. Verriegelt wird bevorzugt das VCR-Pleuel in der Stellung „niedrige Verdichtung“. Zur Aktivierung der Verriegelung bedarf es keiner Hilfsenergiezufuhr von außen. Die Verriegelung wird erst durch Energiezufuhr von außen außer Kraft gesetzt (entriegelt).
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Erfindungsgemäß umfasst der schaltbare
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Verriegelungsmechanismus eine Sperrklinke, ein zu verriegelndes Bauteil und einen Aktuator, wobei die Sperrklinke in dem zu verriegelnden Bauteil drehbar bzw. schwenkbar gelagert ist, wobei der Aktuator ein Entrieglergehäuse, einen Schieber und einen Entriegler umfasst, wobei der Schieber in dem Entrieglergehäuse verschiebbar geführt ist, wobei der Entriegler als zweiarmiger Hebel ausgebildet ist und in dem Entrieglergehäuse drehbar gelagert ist, wobei ein erster Arm des Entrieglers eine Schwenkbewegung des Entrieglers auf die Sperrklinke überträgt und wobei ein zweiter Arm des Entrieglers formschlüssig mit dem Schieber gekoppelt ist.
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Der erfindungsgemäße Verriegelungsmechanismus bewirkt, ausgehend von einer verriegelten Position der Sperrklinke, dass eine lineare Bewegung des Schiebers über den Entriegler auf die Sperrklinke übertragen wird. Dadurch, dass der Entriegler eine Drehbewegung macht, kann die Schwenkbewegung der Sperrklinke eine andere Richtung haben als die Stellbewegung des Schiebers. Das ist vor allem bei der Anwendung an einem Pleuel einer Brennkraftmaschine wichtig. Bei dieser Anwendung ist es nämlich besonders vorteilhaft, wenn der Weg des Schiebers parallel zu der Drehachse der Kurbelwelle bzw. des großen Pleuelauges verläuft. Dann wird die Stellbewegung des Schiebers nicht durch die oszillierenden Massenkräfte, die auf den Schieber wirken, beeinflusst.
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Der Entriegler ist mit seinem zweiten Arm formschlüssig mit dem Schieber gekoppelt. Da er mit seinem ersten Arm jedoch die Sperrklinke nur berührt, ist der erste Arm des Entrieglers gewissermaßen ein verstellbarer Anschlag, gegen den die Sperrklinke federbelastet gedrückt wird. Wenn der erste Arm des Entrieglers weit zurückgezogen ist, dann kann die Sperrklinke in eine zweite Ausnehmung im Entrieglergehäuse einrasten und die Verriegelung ist aktiv. Wenn der Schieber in seine andere Endposition bewegt wird, dann stellt der erste Arm des Entrieglers einen Anschlag für die Sperrklinke dar, der wirkungsvoll verhindert, dass die Sperrklinke in die zweite Ausnehmung einrastet. Infolge dessen ist der Verriegelungsmechanismus entriegelt.
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Dieser Mechanismus ist vergleichsweise einfach. Er hat drei wesentliche Bauteile, nämlich Sperrklinke, Schieber und Entriegler. Weil die Zahl der Bauteile relativ gering ist, kann auch die Toleranzkette kurzgehalten werden. Alle Teile lassen sich fertigungstechnisch gut beherrschen. Sie können aus vergütetem oder gehärtetem Stahl hergestellt werden. Das ermöglicht hohe Belastungen und Flächenpressungen bei großer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in dem zu verriegelnden Bauteil eine erste Ausnehmung ausgebildet, die so dimensioniert ist, dass Sie die Sperrklinke mindestens teilweise aufnehmen kann. Durch diese Ausgestaltung werden eine kompakte Bauweise und ein sehr günstiger Kraftfluss bei verriegelter Sperrklinke erreicht. Die Stützkräfte werden über die Sperrklinke direkt und als Druckkraft in das zu verriegelnde Bauteil eingeleitet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Sperrklinke mindestens eine Stützfläche auf, wobei in der ersten Ausnehmung des zu verriegelnden Bauteils mindestens eine Gegenfläche für die erste Stützfläche ausgebildet ist und wobei die mindestens eine Stützfläche und die mindestens eine Gegenfläche eine Schwenklagerung für die Sperrklinke bilden.
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Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen Sperrklinke und zu verriegelndem Bauteil relativ groß. Die Größe der Kontaktfläche ist unabhängig von der Stellung der Sperrklinke (verriegelt oder entriegelt). In Folge dessen ist die Flächenpressung auch bei größten Stützkräften bzw. Verriegelungskräften relativ gering. Das wirkt sich günstig auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Verriegelungsmechanismus' aus.
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Um sicherzustellen, dass die Sperrklinke gegen Verlieren gesichert ist, ist eine Verliersicherung zwischen Sperrklinke und zu verriegelndem Bauteil vorgesehen. Diese Verliersicherung kann beispielsweise durch einen Stift, der durch entsprechende Bohrungen in der Sperrklinke und dem zu verriegelnden Bauteil gesteckt wird, realisiert werden. Bevorzugt hat eine der Bohrungen ein großes Spiel, während die andere Bohrung bevorzugt einen Presssitz aufweist, so dass der Stift gegen Herausrutschen aus den Bohrungen gesichert ist. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Stützkräfte über die Stützfläche und die Gegenfläche von Sperrklinke bzw. zu verriegelndem Bauteil (und nicht über die Verliersicherung) übertragen werden.
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Um das Verriegeln der Sperrklinke in dem Entrieglergehäuse zu ermöglichen, ist in dem Entrieglergehäuse eine mit der Sperrklinke zusammenwirkende zweite Ausnehmung ausgebildet.
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Diese zweite Ausnehmung und die zugehörige Stützfläche an der Sperrklinke sind zylinderförmig ausgestaltet, so dass sich auch hier eine, relativ große Berührfläche mit konstanter Flächenpressung ergibt. Auch das trägt zur Belastbarkeit und hohen Lebensdauer des erfindungsgemäßen Verriegelungsmechanismus bei.
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Die Geometrien der Stützflächen der Sperrklinke, die Gegenflächen in dem zu verriegelndem Bauteil und in der zweiten Ausnehmung im Entriegelungsgehäuse sind so gewählt, dass ihre Mittelpunkte durch die Schwenkachse der Sperrklinke laufen. Anders ausgedrückt: Die Mittelachsen der Stützflächen der Sperrklinke und der Gegenflächen in dem zu verriegelnden Bauteil und in dem Entrieglergehäuse haben eine gemeinsame Drehachse. Wenn die Verliersicherung durch einen Stift realisiert wird, dann fällt die Drehachse der Sperrklinke mit der Längsachse des Stifts zusammen, um Verspannungen bzw. Überbestimmungen innerhalb des Verriegelungsmechanismus' zu vermeiden.
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Um sicherzustellen, dass bei nicht aktivem Öldrucksystem die Sperrklinke immer verriegelt ist, ist in dem zu verriegelnden Bauteil eine Feder vorgesehen, wobei die von der Feder auf die Sperrklinke ausgeübte Federkraft die Sperrklinke in Richtung der zweiten Ausnehmung zu schwenken sucht. Allerdings kann, wie bereits oben erläutert, die Sperrklinke nur dann in die zweite Ausnehmung schwenken, wenn der Schieber und der mit ihm formschlüssig verbundene Entriegler eine entsprechende Position einnehmen. Anders ausgedrückt: In dieser Position gibt der erste Arm des Entrieglers den Weg der Sperrklinke in die zweite Ausnehmung frei. Dann kann die Feder die Sperrklinke in die zweite Ausnehmung einschwenken bzw. verriegeln.
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Wenn der Schieber und mit ihm der Entriegler in die andere Endposition bewegt werden, dann stellt der erste Arm des Entrieglers einen Anschlag für die Sperrklinke dar, der es ihr unmöglich macht, in die zweite Ausnehmung einzuschwenken.
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Um eine noch weitergehende „fail safe“-Funktionalität des erfindungsgemäßen Verriegelungsmechanismus zu erreichen ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die den Schieber des Aktuators in eine erste Position zu bewegen sucht. In der ersten Position lässt der Entriegler eine Schwenkbewegung der Sperrklinke in Richtung der zweiten Ausnehmung zu. Dies bedeutet, dass wenn keine äußeren Kräfte auf den Entriegler bzw. den Schieber wirken, die Sperrklinke federbelastet immer in die zweite Ausnehmung einrastet. Dann ist der Verriegelungsmechanismus aktiv.
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Um den Verriegelungsmechanismus aktiv entriegeln zu können, ist an einem der Rückstellfeder entgegengesetzten Ende des Schiebers ein Entriegelkolben vorgesehen, wobei der Entriegelkolben einen Steueröldruckraum begrenzt und wobei der Steueröldruckraum über ein Steuerdruckleitungssystem wahlweise mit Umgebungsdruck oder einem Überdruck beaufschlagbar ist.
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Wenn der Steueröldruckraum mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist, dann herrscht zu beiden Seiten des Entriegelkolbens, der mit dem Schieber verbunden ist, der gleiche Druck und es entsteht keine nennenswerte resultierende hydraulische Kraft. In Folge dessen bewegt die Rückstellfeder den Schieber in die erste Position.
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Wenn jedoch in dem Steueröldruckraum ein Überdruck herrscht, dann entsteht eine resultierende hydraulische Kraft auf den Entriegelkolben, der die von der Rückstellfeder ausgeübte Federkraft überwindet und den Schieber in die zweite Position bewegt. Dann ist der Entriegler aufgrund seiner formschlüssigen Kopplung mit dem Schieber so positioniert, dass sein erster Arm einen Anschlag bzw. eine Wegbegrenzung für die Sperrklinke darstellt. Dadurch kann die Sperrklinke nicht in die zweite Ausnehmung einschwenken und der Verriegelungsmechanismus ist entriegelt.
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Der Steueröldruck kann auf verschiedenste Arten und Weisen bereitgestellt werden. Im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung, insbesondere den 12 und 13 wird explizit auf Möglichkeiten hingewiesen, wie dieser Steueröldruck bereitgestellt werden kann. Diese Beispiele sind für die Anwendung des Verriegelungsmechanismus' in dem Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine gedacht. Wenn der Verriegelungsmechanismus in anderen Anwendungen oder Anlagen eingesetzt wird, dann können nahezu alle aus dem Stand der Technik bekannten Öldruckversorgungssysteme eingesetzt werden.
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Um die Funktion des Verriegelungsmechanismus auch in einem Pleuel einer Brennkraftmaschine zu gewährleisten, kann es vorteilhaft sein, wenn an der Sperrklinke ein Gegengewicht ausgebildet ist, so dass der Schwerpunkt der Sperrklinke mit der Schwenk- oder Drehachse der Sperrklinke zusammenfällt bzw. sich in unmittelbarer Nähe der Drehachse befindet. Dann nämlich wird aus den Trägheitskräften der oszillierenden Hubbewegung des Pleuels kein Drehmoment entstehen, dass dazu führen könnte, dass die Dreh- bzw. Schwenkstellung der Sperrklinke sich ändert.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird alternativ gelöst, wenn der erfindungsgemäße Verriegelungsmechansimus in eine Pleuelstange einer Brennkraftmaschine integriert wird und das zu verriegelnde Bauteil ein Stützkolben einer Exzenterverstellung ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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1 bis 13 zeigen eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung:
- 1 zeigt eine Frontansicht eines VCR-Pleuels
- 2 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels aus 1. Die Schnittebene verläuft entlang A-A.
- 3 zeigt einen Ausschnitt aus 2; das Pleuel befindet sich in der Stellung „niedrige Verdichtung“ und die Sperrklinke ist eingerastet.
- 4 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels aus 1 entlang E-E; das Pleuel befindet sich in der Stellung „niedrige Verdichtung“ und die Sperrklinke ist eingerastet.
- 5 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels aus 1 entlang F-F; das Pleuel befindet sich in der Stellung „niedrige Verdichtung“ und die Sperrklinke ist eingerastet.
- 6 zeigt wie 3 einen Ausschnitt aus 2; jedoch sind nur die „inneren“ Baugruppen GKS-Stützkolbensystem-Baugruppe und Entriegelsystem-Baugruppe dargestellt. Die umgebende Pleuelstruktur ist zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der GKS-Stützkolbensystem-Baugruppe; die Sperrklinke ist ausgefahren.
- 8 zeigt eine perspektivische Ansicht des GKS-Stützkolbens.
- 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der Sperrklinke mit Druckstück und Feder.
- 10 entspricht 6 jedoch ist die Sperrklinke eingefahren.
- 11 zeigt die gleichen Teile in selbiger Stellung wie 10 jedoch verläuft die Schnittansicht entlang E-E.
- 12 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels aus 1. Die Schnittebene verläuft entlang H-H; der Abgreifer befindet sich in der Stellung „hohe Verdichtung“.
- 13 zeigt die gleichen Teile in selbiger Stellung wie 12 jedoch verläuft die Schnittansicht entlang G-G.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In allen Figuren werden für die gleichen Bauteile durchgängig die gleichen Bezugszeichen verwandt. Allerdings wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in allen Figuren alle Bezugszeichen eingetragen. Aus dem gleichen Grund sind nicht alle internen Bohrungen und Nuten, die der Führung des Steueröls dienen dargestellt. Der einschlägige Fachmann sieht diese bei Bedarf vor.
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In der
1 wird ein längenverstellbares Pleuel dargestellt. Zur Erläuterung der Grundfunktionen sei auf die
DE 10 2005 055 199 A1 und dort insbesondere auf die
2 bis
5 und deren Beschreibung verwiesen.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen VCR-Pleuels
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Nachfolgend werden im Zusammenhang mit den 1 und 2 die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtigsten Zusammenhänge kurz erläutert. Ein Exzenter 9, der im Bereich des kleinen Pleuelauges eines Pleueloberteils 1 vorgesehen ist, ist mit einem Hebel 10 drehfest verbunden. An dem Hebel 10 wiederum ist an beiden Seiten jeweils eine Stütz-Stange 11, 13 gelenkig befestigt. Eine erste Stütz-Stange 11 ist an ihrem dem Exzenter 9 gegenüberliegenden Ende mit einem ersten Stützkolben 15 gekoppelt (siehe 2). Eine zweite Stütz-Stange 13 ist an ihrem dem Exzenter 9 gegenüberliegenden Ende mit einem zweiten Stützkolben 22 gekoppelt (siehe 2). In der in 1 und 2 dargestellten Position des Exzenters 2 ist der Abstand zwischen kleinem und großem Pleuelauge minimal, so dass das Verdichtungsverhältnis einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in diesem Zustand niedrig ist. Diese Stellung wird erreicht, indem Öl aus einem von dem ersten Stützkolben 15 und einem ersten Stützzylinder 1.1 begrenzten Stützraum 103 abgelassen und Öl in einen von dem zweiten Stützkolben 22 und einem zweiten Stützzylinder 1.2 begrenzten Stützraum 104 gefördert wird. Wenn der Abstand zwischen kleinem und großem Pleuelauge vergrößert werden soll, wird Öl in den von dem ersten Stützkolben 15 und dem ersten Stützzylinder 1.1 begrenzten Stützraum 103 gefördert. Gleichzeitig muss Öl aus dem von dem zweiten Stützkolben 22 und einem zweiten Stützzylinder 1.2 begrenzten Stützraum 104 abgelassen werden.
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Wenn der Exzenter 9 in einer bestimmten Position arretiert werden soll, dann wird der Abfluss von Öl aus dem entsprechenden Stützraum gesperrt (sog. hydraulische Arretierung). Bei manchen Anwendungen und einigen Betriebspunkten einer mit solchen Pleueln ausgerüsteten Brennkraftmaschine hat sich diese hydraulische Arretierung als nicht ausreichend erwiesen, weil vereinzelt das oben erläuterte „Driften nach hoch“ aufgetreten ist.
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Die Erfindung stellt eine mechanische Arretierung bereit, welche das VCR-Pleuel in einer definierten Stellung mechanisch verriegelt und dadurch jegliche ungewollte Verdrehung des Exzenters unterbindet. In Folge dessen wird ein Driften des Exzenters in allen Betriebspunkten wirkungsvoll unterbunden.
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Die Funktion „mechanisches Verriegeln“ Die gesuchte Funktion einer mechanischen Verriegelung der Abstützmechanik wird durch eine im Stützkolben 15 gelagerten und in die Pleuelstruktur einrastenden Sperrlinke 18 realisiert. Der Stützkolben 15 ist dazu mit einer ersten Ausnehmung 15.1 versehen, welche die Sperrklinke 18 aufnehmen kann (siehe 8). Ein Gehäuse 25 des Entriegelsystems 300 (siehe 6) ist mit einer zweiten Ausnehmung 25.1 versehen in welche die Sperrklinke 18 einrasten kann. In den 3 und 10 ist die zweite Ausnehmung 25.1 gut zu erkennen.
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2 und 3 zeigen das VCR-Pleuel mit eingerasteter Sperrklinke 18. Das Gehäuse 25, die Sperrklinke 18 und der Stützkolben 15 sind vorzugsweise aus einem hochfesten, verschleißunempfindlichen (und in der Regel gehärteten) Stahl gefertigt, um die auftretenden Flächenpressungen auch unter schwellender Belastung dauerhaft zu ertragen. Am Gehäuse 25 muss insbesondere im Bereich der Ausnehmung 25.1 auf ausreichende Härte geachtet werden.
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In der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung kann die Abstützmechanik (Stützkolben 15, 22, Stützstangen 11, 13, der Exzenter 9 und der Hebel 10) nur in der Stellung „niedrige Verdichtung“ mechanisch arretiert werden. In Anbetracht der bisherigen Versuchsergebnisse ist es auseichend, nur die Stellung „niedrige Verdichtung“ zu arretieren, bzw. zu verriegeln. Denkbar ist aber auch eine Verriegelung der Abstützmechanik in der Stellung „hohe Verdichtung“. Dann wird im Bereich des zweiten Stützkolbens 22 ein baugleicher Verriegelungs- und Entriegelungsmechanismus vorgesehen. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Verriegelungs- und Entriegelungsmechanismus an beiden Stützkolben 15, 22 vorzusehen. Dann kann der Exzenter 9 in beiden Stellungen mechanisch arretiert werden.
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Die Sperrklinke 18 ist im Stützkolben 15 drehbar gelagert und kann um eine Drehachse 100 geschwenkt werden, um sie außer Eingriff mit der Ausnehmung 25.1 im Entrieglergehäuse 25 zu bringen. Die Form der Sperrklinke 18 und der Ausnehmung 25.1 im Entrieglergehäuse 25 sind bevorzugt so beschaffen, dass die auf die Sperrklinke 18 wirkende (resultierende) Kraft durch die Drehachse 100 geht. Außerdem wird gewährleistet, dass der Stützkolben 15 sich beim Entriegeln nicht zu bewegen braucht.
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Die Sperrklinke 18 selber ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ihr Massenschwerpunkt auf oder in unmittelbarer Nähe der Drehachse 100 liegt. Dann greifen die Trägheitskräfte, welche durch die beschleunigte Bewegung des Pleuels der Brennkraftmaschine entstehen, im Schwerpunkt an und es resultiert daraus kein oder nur ein sehr kleines Drehmoment. Dadurch wird verhindert, dass die Sperrklinke 18 ungewollt aus der Ausnehmung 25.1 „herausspringen“ kann. Um die gewünschte Massenverteilung und Lage des Schwerpunkts der Sperrklinke 18 zu erreichen, ist an der Sperrklinke 18 ein Gegengewicht 18.1 angebracht (siehe 9).
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Die Ableitung der auf die Sperrklinke 18 wirkenden Kräfte auf den Stützkolben 15 geschieht über an der Sperrklinke 18 ausgebildete Stützfläche 18.2 (siehe 9). Diese Stützflächen 18.2 liegen auf komplementär geformten Gegenflächen 15.4 des Stützkolbens 15 auf (siehe 8). Zwischen den Gegenflächen 15.4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Schlitz 15.5 ausgebildet. Er dient dazu, Platz für das Gegengewicht 18.1 der Sperrklinke 18 zu schaffen. Die Stützfläche 18.2 hat die Form eines Zylindermantels, dessen Mittelachse mit der Drehachse 100 der Sperrklinke 100 zusammenfällt (siehe 9).
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Die Berührfläche zwischen der Sperrklinke 18 und der zweiten Ausnehmung 25.1 im Gehäuse 25 hat ebenfalls die Form eines Zylindermantels, dessen Mittelachse mit der Drehachse 100 der Sperrklinke 18 zusammenfällt. Die Stützfläche 18.2 und die Kontaktfläche 18.6 an dem Ende der Sperrklinke 18 und deren Gegenflächen 15.4 im Stützkolben 15 und in der zweiten Ausnehmung 25.1 haben eine zu den Flächen 18.2 und 18.6 komplementäre Form, so dass sich eine relativ große Berührfläche mit gleichmäßiger Flächenpressung ergibt.
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In der 7 ist die zylindrische Kontaktfläche 18.6 am „oberen“ Ende der Sperrklinke 18 gut zu erkennen.
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Um zu verhindern, dass die Sperrklinke 18 infolge von wirkenden Trägheitskräften ungewollt aus der Ausnehmung 25.1 „herausfallen“ kann, ist diese Sperrklinke 18 mit einem Stift 19 an dem Stützkolben 15 gesichert (siehe 3). Die Achse des Sicherungsstifts 19 fällt mit der Drehachse 100 zusammen. Um eine Überbestimmung zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Stützkräfte nicht über den Stift 19, sondern über die Stützflächen 18.2 und die Gegenflächen 15.4 in den Stützkolben 15 eingeleitet wird, ist zwischen dem Stift 19 und einer Bohrung 18.5 in der Sperrklinke 18 (siehe 9) und/oder einer Bohrung 15.2 in dem Stützkolben 15 (siehe 8) ein ausreichend großes Spiel vorhanden. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch die Sperrklinke 18 abzustützende Kraft über die Stützflächen 18.2 und die Gegenflächen 15.4 geleitet wird, die für die zu stützende Kraft entsprechend dimensioniert ist. Der Stift 19, die Bohrung 18.5 in der Sperrklinke 18 und die Bohrung 15.2 in dem Stützkolben 15 bilden eine Verliersicherung.
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Die Sperrklinke 18 wird durch ein erfindungsgemäßes Vorspannsystem 200 bestehend aus einem (optionalen) Druckstück 20 und einer Feder 21 permanent „vorgespannt“ (siehe 3), so dass sich eine „fail safe“-Funktion ergibt. Die Feder 21 und das Druckstück 20 sind in einer Sacklochbohrung 15.3 im Stützkolben 15 aufgenommen und geführt.
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Infolgedessen entsteht ein um die Drehachse 100 und in Richtung des Pfeils 101 wirkendes Moment, welches hier als Vorspannmoment bezeichnet wird. In den 2, 3 und 10 wirkt das Vorspannmoment gegen den Uhrzeigersinn (mathematisch positiv). Wenn sich der Stützkolben 15 in der Stellung „niedrige Verdichtung“ befindet und der Schieber 28 sich in der in 4 dargestellte Position befindet, schwenkt das Vorspannmoment die Sperrklinke 18 in die Ausnehmung 25.1 und der Exzenter 9 ist arretiert. In allen anderen Hubstellungen des Stützkolbens 15 kann die Sperrklinke nicht in die Ausnehmung 25.1 einrasten, weil die am Stützkolben 15 angeordnete Sperrklinke 18 sich nicht auf gleicher „Höhe“ mit der Ausnehmung 25.1 befindet (siehe 3).
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Infolge des Vorspannmoments entsteht zwischen der Sperrklinke 18 und dem Stützzylinder 1.1 eine radial wirkende Kraft. Wie bereits erläutert, weist die Sperrklinke 18 bevorzugt zumindest näherungsweise eine zylindrische Gleitfläche 18.3 auf (siehe 7). Die Stützflächen 18.2 und die Gegenfläche 15.4 des Stützkolbens 15 „schmiegen“ sich aneinander an und es entsteht eine niedrige Flächenpressung, was die Reibung und den Verschleiß zu minimieren vermag.
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Vorzugsweise stützt sich der Stützkolben 15 in der Stellung „niedrige Verdichtung“ stirnseitig auf der Bodenfläche 1.3 des Stützzylinders 1.1. im Pleueloberteil 1 ab (siehe 3). Dadurch ist die Toleranzkette zwischen der Ausnehmung 25.1 im Gehäuse 25 und der Bodenfläche 1.3 im Pleueloberteil 1 kurz und es läßt sich ein geringes Spiel zwischen der Ausnehmung 25.1 und der Sperrklinke 18 konstruktiv vorgeben und prozesssicher in einer Serienfertigung realisieren. Ein geringes Spiel ist von Vorteil, weil der Stützkolben 15 in verriegeltem Zustand nur kurze Wege relativ zu dem Pleuoberteil 1 zurücklegt. Das reduziert die Stoßbelastungen an den Totpunkten und verlängert die Lebensdauer. Außerdem ist die Zahl der Bauteile niedrig, was sich positiv auf die Kosten auswirkt.
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Die Funktion „Entriegeln“:
- Soll eine Verstellung hin zu hoher Verdichtung ermöglicht werden, muss die Sperrklinke 18 erst außer Eingriff mit der zweiten Ausnehmung 25.1 gebracht werden, d.h. sie muss entriegelt werden. Dies bewerkstelligt ein Entriegelsystem 300, dessen Bauteile anhand der 6 erläutert werden.
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Das Entriegelsystem 300 weist ein zylinderförmiges Gehäuse 25 auf, welches in eine Aufnahmebohrung 1.4 im Pleueloberteil 1 eingeschoben wird (siehe 3 und 2).
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Da an der rechten Stirnfläche des Gehäuses 25 ein hoher Öldruck von bis zu 400 bar zu erwarten ist, ist das Gehäuse 25 durch einen Bolzen 26 gegenüber dem Pleueloberteil axial gesichert (siehe 3 und 4). Der Bolzen 26 leitet somit die infolge des wirksamen Druckes entstandene Kraft in die Pleuelstruktur ein. Um ein axiales Herausschieben des Bolzens 26 zu verhindern wird der Bolzen 26 durch eine Stiftschraube 27 gesichert. In den 3 und 4 ist lediglich ein Innengewinde (ohne Bezugszeichen) dargestellt in welches die Stiftschraube 27 eingedreht wird.
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Um die Leckage aus dem unter Druck stehenden Stützraum 103 gering zu halten, wird das radiale Spiel zwischen der Aufnahmebohrung 1.4 und der Mantelfläche 25.2 des Gehäuses 25 gering gewählt. Idealerweise wird an dieser Stelle eine Übermaß- oder Presspassung gewählt. Zudem kann auch noch ein Dichtelement z.B. ein radial dichtender O-Ring eingesetzt werden.
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Die Sperrklinke 18 kann durch den Entriegler 29 außer Eingriff gebracht werden (siehe 4). Der Entriegler 29 ist mittels des Stiftes 30 drehbar in dem Gehäuse 25 gelagert. An dem zur Sperrklinke 18 zugewandten Arm 29.2 weist der Entriegler 29 eine kugelige Fläche 29.1 auf, welche eine Normalkraft auf die Gleitfläche 18.3 der Sperrklinke 18 ausüben kann. Am Ende des zweiten Arms 29.3 weist der Entriegler 29 eine zylindrische, kugelige oder ballige Fläche 29.4 auf. Diese Fläche 29.4 greift in eine im Schieber 28 eingearbeitete Ausnehmung 28.1.
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Das Gehäuse 25 weist eine Aufnahmebohrung 25.3 auf, welche den Schieber 28 aufnimmt. Der Schieber 28 kann sich in der Aufnahmebohrung 25.3 in Richtung der Kurbelwellendrehachse axial bewegen. Die Drehbewegung des Entrieglers 29 ist mit der Axialbewegung des Schiebers 28 gekoppelt.
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Der Entriegler 29 selber ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sein Massenschwerpunkt auf oder in unmittelbarer Nähe der Drehachse 102 liegt. Dadurch bewirken Trägheitskräfte, die im Schwerpunkt angreifen, kein Moment, welches dazu führen könnte, dass das Entriegelsystem 300 ungewollt verstellt wird.
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Der Entriegler 29 ist umgeben von Öl, welches zeitweise unter sehr hohem Öldruck steht. Der Schieber 28 sollte gegenüber der Aufnahmebohrung 25.3 ein möglichst geringes Laufspiel aufweisen, um den Leckagestrom möglichst gering zu halten. Dies ist bei Betrieb mit hoher Verdichtung von Belang. Bei hoher Verdichtung nämlich stützt sich der Stützkolben 15 auf dem eingeschlossenen Öl ab. Jegliche Leckage führt zu einem ungewollten Absinken des Stützkolbens 15 und in Folge dessen zu einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis.
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Der unvermeidbare Leckagestrom wird über die Entlüftungsbohrung 1.8 und 1.10 in die Umgebung des Pleuels geleitet (siehe 5). Somit ist sichergestellt, dass sich in den Räumen 1.5 und 1.11 kein Überdruck aufbauen kann.
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Zudem ist darauf zu achten, dass am Schieber 28 keine Radialkräfte angreifen, welche eine Schwergängigkeit des Schiebers 28 hervorrufen würden. Dazu weist der Schieber 28 eine Druckausgleichsbohrung 28.2 auf, so dass an der Mantelfläche des Schiebers 28 eine symmetrische Druckverteilung herrscht (siehe 4).
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An einem ersten freien Ende des Schiebers 28 befindet sich ein Entriegelkolben 31, welcher vorzugsweise mittels einer Übermaßpassung mit dem Schieber 28 verpresst ist (siehe 4 und 5). Im Pleueloberteil 1 ist ein Steuerzylinder 1.7 eingearbeitet in dem der Entriegelkolben 31 läuft. Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung des Entriegelkolbens 31 gegen den Steuerzylinder 1.7 mit einem Dichtring 32. Zwischen dem Pleueloberteil 1 und dem Entriegelkolben 31 wird ein erster Raum 1.5 gebildet.
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Der Deckel 27 und der Entriegelkolben 31 wird begrenzen einen zweiten Raum 1.6. Dieser zweite Raum wird als Steuerdruckraum bezeichnet.
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Der erste Raum 1.5 ist über die Entlüftungsbohrung 1.8 (siehe 5) fluidisch mit der Umgebung verbunden, so dass in dem ersten Raum 1.5 stets Umgebungsdruck herrscht.
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Der Steuerdruckraum 1.6 ist über ein Steuerdruckleitungssystem 1.9 fluidisch mit einer schaltbaren Öldruckquelle verbunden, so dass der Druck in dem Steuerdruckraum 1.6 gezielt variiert werden kann. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Druck im Steuerdruckraum 1.6 zu variieren. Auf die genannte Steuerdruckquelle wird später im Detail eingegangen.
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An der gegenüberliegenden Stirnseite des Schiebers 28 befindet sich ein Ventilschieber 34, welcher durch die Rückstellfeder 35 gegen den Schieber 28 gedrückt wird (siehe 5). Die Rückstellfeder 35 stützt sich an einem Deckel 36 ab.
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In den 1 bis 6 befindet sich das Entriegelsystem 300 in seiner „eingefahrenen“ Stellung. Die Sperrklinke 18 ist in die zweite Ausnehmung 25.1 eingerastet und liegt mit ihrer Kontaktfläche 18.6 an der zweiten Ausnehmung 25.1 an. Die Sperrklinke 18 kann nur dann in die zweite Ausnehmung 25.1 einrasten, wenn der Stützkolben 15 an der Bodenfläche 1.3 ansteht (siehe 3). Die zum Einrasten benötigte Energie ist in der Feder 21 gespeichert und steht jederzeit zur Verfügung („fail safe“).
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Wenn die Sperrklinke 18 eingerastet ist, kann diese durch das Entriegelsystem 300 außer Eingriff gebracht werden. Dazu muss im Steuerdruckraum 1.6 ein bestimmter Druck herrschen. Die dann am Entriegelkolben 31 anliegende Druckdifferenz bewirkt eine hydraulische Kraft, welche einerseits die Kraft der Rückstellfeder 35 überwindet und andererseits das an der Sperrklinke 18 wirkende Vorspannmoment überwindet.
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Die 10 und 11 zeigen den Zustand der „eingefahrenen” nicht im Eingriff mit der zweiten Ausnehmung 25.1 des Entrieglergehäuses 25 befindlichen Sperrklinke 18; d. h. die Sperrklinke 18 befindet sich vollständig innerhalb des Stützkolbens 15. Der Stützkolben 15 hat sich noch nicht relativ zu dem Pleueloberteil 1 bewegt. Sobald sich der nun „befreite” Stützkolben 15 relativ zu dem Pleueloberteil 1 (d. h. in der 10 ein Stück nach oben) bewegt hat, kann die Sperrklinke 18 nicht mehr in die zweite Ausnehmung 25.1 einrasten, weil sie mit ihrer Gleitfläche 18.3 am Stützzylinder 1.1 anliegt, der auch den Stützkolben 15 führt.
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Der Druck im Steuerdruckraum 1.6 kann dann auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt werden, da das Vorspannmoment nun nicht mehr überwunden werden muss. Die Sperrklinke 18 gleitet nun am Stützzylinder 1.1 entlang.
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Bei der Dimensionierung der Rückstellfeder 35 und der Feder 21 sollte darauf geachtet werden, dass die Federkräfte nur so groß wie nötig gewählt werden. Denn umso größer die Federkräfte sind, desto höher muss der im Steueröldruckraum 1.6 anzulegende Druck sein, um die Sperrklinke 18 außer Eingriff zu bringen. Wünschenswert ist es, mit einem möglichst niedrigen Steuerdruck auszukommen.
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In einer vorteilhaften Auslegung beträgt die Vorspannkraft der Feder 21 im maximal zusammengerückten Zustand (siehe 10) ca. 12 N. Das daraus resultierende Vorspannmoment bewirkt ein hinreichend schnelles Einrasten. Bei einem Massenträgheitsmoment der Klinke von 44 g mm2 würde der Einrastvorgang bei Vernachlässigung von Reibungseffekten nur 0,8 msec. dauern. Die Zeitdauern während derer am Stützkolben eine nach unten gerichtete Kraft anliegt sind selbst bei höchsten Motordrehzahlen noch um ein Vielfaches höher, so dass die vorgespannte Sperrklinke 18 innerhalb eines Motorarbeitsspieles ohne Unterbrechung in der zweiten Ausnehmung 25.1 einrastet. In einer vorteilhaften Auslegung beträgt die Vorspannkraft der Rückstellfeder 35 im maximal zusammengerückten Zustand (siehe 11) ca. 3 N.
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Für die vorgeschlagene Ausgestaltung und Dimensionierung muss zum Entriegeln kurzzeitig ein relativer Öldruck (Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck) von mindestens 1,43 bar im Steuerdruckraum 1.6 angelegt werden. Danach kann der Überdruck auf 0,32 bar reduziert werden. Dieser Druck reicht aus, um den Schieber 28 in der gewünschten Position zu halten.
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Die Funktion „Steueröldruck einstellen“ Zur Einstellung des Steueröldrucks stehen mehrere Varianten zur Wahl. Für die Erfindung ist es unerheblich auf welche Art und Weise der Steueröldruck eingestellt wird. Es ist vorteilhaft, wenn zum Einstellen des Steueröldrucks im Steuerdruckraum 1.6 auf die ohnehin an dem VCR-Pleuel vorhandenen hydraulischen Einrichtungen zurückgegriffen wird. Das vermeidet Kosten und erleichtert die Integration des erfindungsgemäßen VCR-Pleuels in einen herkömmlichen Verbrennungsmotor.
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In einer ersten Variante wird der Steueröldruck auf mechanischem Wege geschaltet. In den 12 und 13 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Steuerdruckschaltventilsystems 400 dargestellt. Der Abgreifer 38 kann mittels eines nicht dargestellten äußeren Betätigungssystems von einer in eine andere Schaltstellung und umgekehrt gebracht werden. Gleichzeitig fungiert der Abgreifer 38 auch als Ventilschieber.
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In einer ersten Schaltstellung des Abgreifers 38 ist das Steuerdruckleitungssystem 1.9 mit der Versorgungsnut 2.1 im Pleuelunterteil 2 fluidisch verbunden (siehe 12 und 13).
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Das Steuerdruckleitungssystem 1.9 umfasst mehrere Nuten und Bohrungen im Pleueloberteil 1 und im Pleuelunterteil 2, welche nicht alle im Einzelnen in den Figuren gekennzeichnet sind.
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Die Versorgungsnut 2.1 wiederum ist fluidisch mit dem Schmierölsystem des Motors verbunden, weil das Pleuellager im großen Pleuelauge an den Ölkreislauf des Motors angeschlossen ist. Auch auf diese Fluidverbindungen wird nicht im Einzelnen eingegangen.
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In einer nicht dargestellten zweiten Schaltstellung des Abgreifers 38 ist das Steuerdruckleitungssystem 1.9 fluidisch mit der Umgebung des Pleuels verbunden, so dass die am Entriegelkolben 31 anliegende Druckdifferenz verschwindet. In der 12 ist der Abgreifer 38 in der ersten Schaltstellung dargestellt. In der ersten Schaltstellung ragt der Abgreifer 38 rechts über das Pleuelunterteil 2 hinaus.
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in der zweiten Schaltstellung (nicht dargestellt) wird der Abgreifer relativ zu dem Pleuelunterteil 2 so weit nach links verschoben, dass dessen rechte Stirnfläche in etwa bündig mit dem Pleuelunterteil 2 ist. Dementsprechend ragt die linke Stirnfläche nach links über das Pleuelunterteil 2 hinaus. Dann ist das Steuerdruckleitungssystem 1.9 über die Bohrungen 44 im Abgreifer fluidisch mit der Umgebung des Pleuels 1 verbunden. Durch Verschieben des Abgreifers 38 zwischen den beiden Schaltstellungen kann also der Öldruck im Steuerdruckraum gesteuert und der Entriegelkolben 31 bewegt werden.
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Ein System zur Betätigung des Abgreifers
38 bei laufendem Motor ist in
DE 10 2012 014 918 im Detail beschrieben. Auf diese Beschreibung wird hiermit Bezug genommen.
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In einer zweiten Variante wird das Steuerdruckleitungssystem 1.9 im Pleuel fluidisch dauerhaft mit der Versorgungsnut 2.1 verbunden. Zur Betätigung des Entriegelsystems 300 muss der Öldruck in der Versorgungsnut 2.1 variiert werden.
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Vorzugsweise wird dazu eine Ölpumpe mit variablem Fördervolumen eingesetzt. Durch Variation des Fördervolumens wird der Öldruck am Ölpumpenaustritt variiert und damit letztendlich der Druck in der Versorgungsnut 2.1. Diese Variante bietet den Vorteil, dass keinerlei zusätzliche Veränderungen am Motor erforderlich sind. Ölpumpen mit variablem Fördervolumen gehören zum Stand der Technik und sind bereits weit verbreitet im Einsatz. Nachteilig ist, dass der Öldruck im gesamten Schmiersystem angehoben wird, wenn eine hohe Verdichtung aktiviert werden soll.
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In einer dritten Variante wird das Steuerdruckleitungssystem
1.9 im Pleuel fluidisch mit einem separaten Steuerdruckleitungssystem in der Kurbelwelle verbunden. Dazu bedarf es einer zusätzlichen Ölübergabestelle zwischen dem Pleuel und der Kurbelwelle. Solche Ölübergabestellen können einerseits mittels einer zusätzlichen Nut in der Pleuellagerung realisiert werden oder mittels radial oder axial dichtender Ölübertragungsringe. Ein radial dichtender Ölübertragungsring ist in
DE 10 2017 122 869 A1 beschrieben.
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In einer vierten Variante wird das Steuerdruckleitungssystem
1.9 im Pleuel durch ein zweites auf dem Pleuel befindlichen Ventil geschaltet. Ein solches Ventil kann sehr klein ausgeführt werden, da es als Vorsteuerventil fungiert und nur sehr kleine Volumenströme schalten muss. Dementsprechend gering ist der benötigte Kraftbedarf zum Schalten dieses Vorsteuerventils. Vorzugsweise wird dieses Vorsteuerventil auf elektro-magnetischem Wege geschaltet oder durch Impulsaustausch mit einem Ölstrahl. In
DE 10 2014 200 162.5 finden sich Ausführungen zu einer Vorsteuerung für ein VCR-Pleuel. Die Funktion „Ausfluss aus Stützkammern steuern“ Das hier beschriebene Entriegelsystems
300 wird hydraulisch betätigt. Das Stellen des Betätigungsdruckes (Steuerdruck) kann wie beschrieben auf unterschiedliche Weise erfolgen.
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Bei den bekannten VCR-Pleueln wird zur Steuerung des Ölausflusses aus den Stützräumen ein Schaltventil verwendet. Bei den in der
DE 10 2005 055 199 A1 beschriebenen VCR-Pleueln ist dieses Schaltventil ein mechanisch betätigtes 3/2-Wegeventil.
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Die Funktion der Steuerung des Ölausflusses aus den Stützräumen kann in das Entriegelsystems 300 integriert werden. Wenn zudem das Stellen des Betätigungsdruckes für das Entriegelsystems 300 gemäß der Varianten 2 bis 4 erfolgt wie oben beschrieben, kann das mechanisch betätigte Steuerdruckschaltventilsystem 400 komplett entfallen. Wenn das Steuerdruckschaltventilsystem 400 entfällt, dann hat das unter anderem den Vorteil, dass keine konstruktiven Eingriffe am Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine erforderlich sind. Die Eingriffe beschränken sich auf die Pleuel und ggf. die Kurbelwelle. Anders ausgedrückt: Die Erfindung kann auch bei bereits in Serie gefertigten Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
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Bei der dargestellten Ausführung eines VCR-Pleuels mit mechanischer Verriegelung in den 1 bis 13 wird die Funktion der Steuerung des Ausflusses aus den Stützräumen 103 und 104 vom Entriegelsystem 300 mit übernommen. Anhand von 5 wird die Integration dieser Funktion in das Entriegelsystem 300 erläutert:
- Der Stützraum 103 steht mit der Ausnehmung 28.1 permanent in Fluidverbindung (siehe 3 und 4). Diese Ausnehmung 28.1 steht wiederum mit der Querbohrung 28.3 im Schieber 28 permanent in Fluidverbindung (siehe 5).
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Der Stützraum 104 (siehe 2) steht mit der Bohrung 33.1 permanent in Fluidverbindung (siehe 5).
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Das Entriegelsystems 300 kann zwei Zustände annehmen. Im ersten Zustand befindet sich der Schieber 28 in seiner Ausgangsstellung (siehe 4). Der Entriegler 29 ist „eingefahren”. Der Ausfluss aus der Querbohrung 28.3 und damit aus dem Stützraum 103 ist geöffnet. Der Ausfluss aus der Bohrung 33.1 und damit aus dem vom Stützkolben 22 begrenzten Stützraum 104 ist verschlossen (siehe 5).
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Die Abstützmechanik des VCR-Pleuels ist damit so verschaltet, dass sich das VCR-Pleuel verkürzen kann, bis der Stützkolben 15 die Bodenfläche 1.3 erreicht und die Brennkraftmaschine damit die niedrige Verdichtungsstufe einnimmt. Die vorgespannte Sperrklinke 18 kann einrasten und das VCR-Pleuel ist mechanisch verriegelt. Es verhält sich somit wie ein starres konventionelles Pleuel und kann bei hohen Drehzahlen sicher betrieben werden.
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Im zweiten Zustand befindet sich der Schieber 28 in seiner Maximalhubstellung (siehe 11). Der Entriegler 29 ist „ausgefahren”” und die Sperrklinke 18 wurde entriegelt (siehe 10). Der Ausfluss aus der Querbohrung 28.3 und damit aus dem Stützraum 103 ist verschlossen (nicht dargestellt). Der Ausfluss aus der Bohrung 33.1 und damit aus dem Stützraum 104 ist geöffnet (nicht dargestellt). Die Abstützmechanik des VCR-Pleuels ist damit so verschaltet, dass sich das VCR-Pleuel nur verlängern kann bis der Stützkolben 22 die Bodenfläche 1.14 erreicht und die Brennkraftmaschine damit die hohe Verdichtungsstufe einnimmt.
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In der dargestellten Ausgestaltung wird das aus dem Stützraum 103 austretende Öl über Bohrungen und Nuten (nicht alle dargestellt) zur Versorgungsnut 2.1 geleitet, was als „interne Ölrückführung“ bezeichnet wird.
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Alternativ kann das aus dem Stützraum 103 austretende Öl auch in die Umgebung geleitet werden, was als „Absteuerung ins Freie“ bezeichnet wird. Das aus dem Stützraum 104 austretende Öl wird in die Umgebung geleitet. Alternativ kann das dem Stützraum 104 austretende Öl auch zur Versorgungsnut 2.1 geleitet werden.
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Zur Einstellung einer gewünschten Verstellgeschwindigkeit, weisen die Ausflussleitungen Blenden auf. Die Blende 34.1 (siehe 5) bremst die Verstellung in Richtung „hohe Verdichtung“. Die Blende 25.4 (siehe 5) bremst die Verstellung in Richtung „niedrige Verdichtung“.
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Betriebsstrategie
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Prüfstandsuntersuchungen mit Brennkraftmaschinen mit 2-stufig schaltbarer variabler Verdichtung haben gezeigt, dass bei hohen Drehzahlen und gleichzeitig hohen Lasten ein Betrieb bei der niedrigen Verdichtungsstufe zu bevorzugen ist. Zudem ist bekannt, dass ein sicherer Betrieb bei niedriger Verdichtung bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten nicht gewährleistet ist. Mit der mechanischen Verriegelung hingegen wird ein sicherer Betrieb auch bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten erwartet.
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Vor diesem Hintergrund empfiehlt sich folgende Betriebsweise: Bis zu einer mittleren Drehzahl von ca. 3000 min-1 kann die Brennkraftmaschine sowohl bei hoher als auch bei niedriger Verdichtung betrieben werden.
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Bei Überschreiten der Drehzahl von 3000 min-1 wird immer die niedrige Verdichtung aktiviert und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verriegelung mechanisch verriegelt.
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Eine Umschaltung auf hohe Verdichtung wird erst freigegeben, wenn die Drehzahl unter eine Schwelle von ca. 2500 min-1 fällt.
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Nach Abstellen der Brennkraftmaschine, was normalerweise immer aus der Stellung „hohe Verdichtung“ heraus passiert, verschwindet die am Entriegelkolben 31 anliegende Druckdifferenz nach wenigen Sekunden, vor allem weil die Ölpumpe nicht mehr in Betrieb ist. Beim nächsten Start der Brennkraftmaschine ist also automatisch immer die niedrige Verdichtung aktiviert. Die VCR-Pleuel werden sich während des Startvorganges innerhalb weniger Kurbelwellenumdrehungen auf ihre Minimallänge verkürzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleueloberteil
- 1.1
- Stützzylinder GKS
- 1.2
- Stützzylinder MKS
- 1.3
- Bodenfläche
- 1.4
- Aufnahmebohrung
- 1.5
- Raum
- 1.6
- Steuerdruckraum
- 1.7
- Steuerzylinder
- 1.8
- Entlüftungsbohrung
- 1.9
- Steuerdruckleitungssystem
- 1.10
- Entlüftungsbohrung
- 1.11
- Raum
- 1.12
- Abflussbohrung
- 1.13
- Raum
- 1.14
- Bodenfläche
- 2
- Pleuelunterteil
- 2.1
- Versorgungsnut
- 3
- Pleuelschraube
- 4
- Zentrierstift
- 5
- Lagerschale oben
- 6
- Lagerschale unten
- 7
- Lagerring
- 8
- Schraube
- 9
- Exzenter
- 10
- Hebel
- 11
- Stützstange GKS
- 12
- Bolzen
- 13
- Stützstange MKS
- 14
- Bolzen
- 15
- Stützkolben GKS
- 15.1
- erste Ausnehmung
- 15.2
- Bohrung
- 15.3
- Sacklochbohrung
- 15.4
- Gegenfläche
- 15.5
- Schlitz
- 16
- Bolzen
- 17
- Dichtring
- 18
- Sperrklinke
- 18.1
- Gegengewicht
- 18.2
- Stützfläche
- 18.3
- Gleitfläche
- 18.4
- Ausnehmung
- 18.5
- Bohrung
- 18.6
- Kontaktfläche
- 19
- Stift
- 20
- Druckstück
- 21
- Feder
- 22
- Stützkolben MKS
- 23
- Bolzen
- 24
- Dichtring
- 25
- Entrieglergehäuse
- 25.1
- zweite Ausnehmung
- 25.2
- Mantelfläche
- 25.3
- Aufnahmebohrung
- 25.4
- Blende GKS
- 25.5
- zweite Ausnehmung
- 26
- Bolzen
- 27
- Sicherungsschraube
- 28
- Schieber
- 28.1
- Ausnehmung
- 28.2
- Druckausgleichsbohrung
- 28.3
- Querbohrung
- 29
- Entriegler
- 29.1
- kugelige Fläche
- 29.2
- erster Arm
- 29.3
- zweiter Arm
- 29.4
- kugelige Fläche
- 30
- Stift
- 31
- Entriegelkolben
- 32
- Dichtring
- 33
- Ventilzylinder
- 33.1
- Bohrung
- 34
- Ventilschieber
- 34.1
- Blende MKS
- 34.2
- Ringnut
- 35
- Rückstellfeder
- 36
- Deckel
- 37
- Deckel
- 38
- Abgreifer
- 39
- Rastkugel
- 40
- Rastfeder
- 41
- Begrenzer
- 42
- Platte
- 43
- Schraube
- 44
- Bohrung
- 100
- Drehachse der Klinke 3
- 101
- Drehrichtung 9
- 102
- Drehachse des Entrieglers
- 103
- Stützraum GKS
- 104
- Stützraum MKS
- 200
- Vorspannsystem
- 300
- Entriegelsystem
- 400
- Steuerdruckschaltventilsystem
- 500
- GKS-Stützkolbensystem
