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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge sowie eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit einem solchen 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, welche mit Hilfe von Umschaltventilen eine Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels betätigen.
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Die Anordnung des Umschaltventils im Pleueldeckel ist insbesondere für die Betätigung des Umschaltventils vorteilhaft. Grundsätzlich ist die Leckage so gering wie möglich zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel mit einem im Pleueldeckel angeordneten, mechanisch betätigten Umschaltventil zu schaffen, welches einen Leckage-minimierten Hydraulikflüssigkeitstransport erlaubt.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen 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 einen Pleuelkörper und einen mit dem Pleuelkörper verbundenen Pleueldeckel, wobei der Pleuelkörper und der Pleueldeckel ein Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bilden, sowie umfassend eine Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge und ein im Pleueldeckel angeordnetes Umschaltventil. Die Verstelleinrichtung weist wenigstens eine Hydraulikkammer mit einem Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer und einem Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit aus der Hydraulikkammer auf, wobei Zulauf und/oder Ablauf jeweils über wenigstens eine Hydraulikleitung mit dem Umschaltventil hydraulisch verbunden sind. Eine Trennfuge ist zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel ausgebildet, wobei der Pleuelkörper und der Pleueldeckel auf beiden Seiten des Hublagerauges jeweils paarweise Trennflächen aufweisen, welche im montierten Zustand von Pleuelkörper und Pleueldeckel die Trennfuge bilden. Dabei ist die wenigstens eine Hydraulikleitung im Bereich der Trennfuge im Wesentlichen parallel zu einem Verbindungsmittel zum Anschluss des Pleueldeckels an den Pleuelkörper angeordnet.
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Das Umschaltventil ist, wie bereits ausgeführt, im Pleueldeckel angeordnet. Dadurch muss die wenigstens eine Hydraulikleitung zur Versorgung der Hydraulikkammern der Verstelleinrichtung des Pleuels vom Pleuelkörper über die Trennfuge hinweg in den Pleueldeckel weitergeführt werden. Günstiger Weise wird dabei die Verbindung der beiden Trennflächen auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges leckagearm, insbesondere hydraulikflüssigkeitsdicht, ausgeführt, um eine sichere Funktion der Hydraulikkammern und damit der Verstelleinrichtung sicherzustellen. Eine sichere, leckagearme Verbindung der durch die Trennfuge unterbrochenen Hydraulikleitung kann dadurch hergestellt werden, dass die Hydraulikleitung im Bereich der Trennfuge möglichst parallel zu einem Verbindungsmittel von Pleuelkörper und Pleueldeckel wie beispielsweise einer Verbindungsschraube geführt wird. Auf diese Weise können die Auslässe der Hydraulikleitung in den beiden Trennflächen beim Zusammenfügen von Pleuelkörper und Pleueldeckel vorteilhaft abgedichtet verbunden werden.
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Die Bohrung für die Verbindungsschraube wird üblicherweise senkrecht zu den beiden Trennflächen, insbesondere parallel zu einer Tangente am Hublagerauge, angeordnet. Dadurch steht auch die Hydraulikleitung senkrecht auf den beiden Trennflächen, wenn die Hydraulikleitung parallel zu der Verbindungsschraube angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch günstiger Weise ein Dichtmittel auf einfache Weise so angeordnet werden, dass beim Verbinden der Auslässe der Hydraulikleitung diese zuverlässig abgedichtet über die Trennfuge geführt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil bei einer Anordnung der Hydraulikleitung im Bereich der Trennfuge im Wesentlichen parallel zu einem Verbindungsmittel zum Anschluss des Pleueldeckels an den Pleuelkörper besteht auch darin, dass die Quererstreckung des Pleuels mit seinem Hublagerauge reduziert werden kann, da die Hydraulikleitung eng an dem Verbindungsmittel geführt werden kann. Dadurch ergeben sich günstige Montagebedingungen bei der Einführung des Pleuels in das Kurbelgehäuse durch die Zylinderbohrung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann im Bereich der Trennfuge zur Abdichtung der Hydraulikleitung ein Dichtelement vorgesehen sein. Mittels eines Dichtelements kann die Verbindung der beiden Trennflächen auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges leckagearm ausgeführt, um so eine sichere Funktion der Hydraulikkammern und damit der Verstelleinrichtung sicherzustellen. Eine sichere, leckagearme Verbindung der durch die Trennfuge unterbrochenen Hydraulikleitung kann dadurch hergestellt werden, dass die Hydraulikleitung im Bereich der Trennfuge mit einem Dichtelement als Verbindung der beiden Auslässe der Hydraulikleitung in den gegenüber liegenden Trennflächen. Auf diese Weise können die Auslässe der Hydraulikleitung in den beiden Trennflächen beim Zusammenfügen von Pleuelkörper und Pleueldeckel vorteilhaft abgedichtet verbunden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die wenigstens eine Hydraulikleitung zu beiden Seiten der Trennfuge Bohrungen aufweisen, welche zur Aufnahme einer Hülse als Dichtelement vorgesehen sind. Die Hülse kann so bei der Montage von Pleuelkörper und Pleueldeckel in eine der Bohrungen eingeführt werden. Beim Zusammenfügen der beiden Trennflächen wird die Hülse in die gegenüber liegende Bohrung eingeführt, sodass die beiden Auslässe der Hydraulikleitung auf diese Weise über die Hülse verbunden werden. Dadurch kann eine dichte Verbindung der Hydraulikleitung über die Trennfuge hinweg sichergestellt werden. Außerdem können die beiden Trennflächen beim Zusammenfügen von Pleuelkörper und Pleueldeckel durch die Hülse sicher zueinander positioniert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Hülse als Passhülse vorgesehen sein, welche in den Pleueldeckel und/oder den Pleuelkörper verpresst ist. Die Passhülse ermöglicht einen Leckage-minimierten Transport der Hydraulikflüssigkeit zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel. Dabei kann die Passhülse wahlweise im Pleuelkörper und Pleueldeckel verpresst sein. Auf der jeweils anderen Trennfugenseite lässt sich dann ein definierter Ringspalt zwischen Passhülse und Bohrung einstellen. Durch eine hohe Spaltlänge kann eine geringe Leckage sichergestellt werden. Zudem kann mit der Passhülse die axiale Position von Pleueldeckel zu Pleuelkörper fixiert werden, da dieser Freiheitsgrad bei einer geraden Verzahnung frei bleibt. Beim Einsatz von Passhülsen auf beiden Seiten des Hublagerauges ist eine entstehende statische Überbestimmtheit durch Toleranzauslegung aufzulösen. Die Passhülse kann verschiedene Wandstärken und Materialien aufweisen. Alternativ kann beispielsweise eine Passhülse aus PTFE (Teflon) eingesetzt werden, die eine Leckage-freie Hydraulikflüssigkeitsführung ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Hülse im montierten Zustand von Pleuelkörper und Pleueldeckel in den Bohrungen axial verspannt sein. Dadurch kann die Hülse mit ihren beiden Enden gegen Absätze in den Bohrungen, bzw. der Hydraulikleitung geeignet verpresst werden. Auf diese Weise lässt sich eine mögliche Hydraulikflüssigkeitsleckage der Hydraulikleitung vorteilhaft reduzieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Hülse in axialer Richtung eine Dichtkontur aufweisen, mittels welcher die Hülse im montierten Zustand von Pleuelkörper und Pleueldeckel gegen den Pleuelkörper und/oder den Pleueldeckel verspannt ist. Mittels einer solchen Dichtkontur, welche beispielsweise als rundum auf einer Stirnseite der Hülse umlaufende Schneidkante ausgebildet sein kann, kann eine mögliche Hydraulikflüssigkeitsleckage der Hydraulikleitung auf einfache Weise reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Hülse ein rundumlaufendes Dichtelement aufweisen, mittels welchem die Hülse radial gegen die Bohrung abgedichtet ist. Ein solches Dichtelement, beispielsweise ein umlaufender O-Ring, erlaubt eine wirkungsvolle Abdichtung der Hülse gegen die Bohrung. Damit kann eine mögliche Leckage der Hydraulikleitung auf wirkungsvolle Weise reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Hülse an wenigstens einem Ende ein rundumlaufendes Dichtelement aufweisen, mittels welchem die Hülse in axialer und/oder radialer Richtung gegen die Bohrung abgedichtet ist. Ein solches Dichtelement kombiniert eine axiale Abdichtung durch Verpressung gegen einen Absatz in der Bohrung oder Hydraulikleitung mit einer radialen Abdichtung gegen die Innenwand der Bohrung oder Hydraulikleitung. Auf diese Weise kann eine mögliche Leckage der Hydraulikleitung auf wirkungsvolle Weise reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Trennfuge zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel schräg zu einer Querachse des Hublagerauges ausgebildet sein.
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Eine leichte schräge Teilung des Pleuels weist Vorteile in der Integration der Schaltkulisse in eine bestehende Motorenarchitektur auf, da eine wesentliche geometrische Zwangsbedingung erfüllt sein muss, um die Verstelleinrichtung des Pleuels zu betätigen. Die Trajektorie des Abgriffselements des Umschaltventils muss an einem Punkt aus der Hüllkurve der Kurbelwelle herausragen, damit das Abgriffselement an dieser Stelle kollisionsfrei betätigt werden kann. Idealerweise liegt diese Stelle direkt unter der Kurbelwellenachse, da das Abgriffselement, wenn mittig unterhalb des Hublagerauges im Pleueldeckel platziert, hier am weitesten von der Kurbelwellenhüllkurve entfernt liegt. Darüber hinaus kommt die Hüllkurve der Pleuelschrauben, die eine signifikante Breite haben kann, nicht in Berührung mit dem Kulissenstein der Schaltkulisse.
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Bei modernen Brennkraftmaschinen ist der Bauraum jedoch so kompakt, dass es nicht möglich ist, eine Schaltkulisse für die mechanische Betätigung eines Abgriffselements des Umschaltventils einer Exzenter-Verstelleinrichtung direkt unter der Kurbelwelle zu platzieren, ohne die Motorarchitektur maßgeblich zu verändern. Hinzu kommt, dass moderne Brennkraftmaschinen zur Gegendruckseite hin geschränkt sind (typischerweise 5 mm - 10 mm), sodass die optimale Position der Betätigung leicht zur Seite verschoben ist. Zudem wird oft eine Hauptlagerumsetzung mit angeschraubten Lagerböcken verwendet. Diese sind zur Versteifung des Motorrumpfes mit einer Zwischenplatte zur Ölwanne (Lower Crankcase Extension) verbunden. Dadurch ist eine Positionierung der Schaltkulisse direkt unter der Kurbelwelle erschwert. In vielen Fällen ist eine leicht seitliche Platzierung der Schaltkulisse aber wieder möglich. Hier jedoch kollidiert die Schraubenhüllkurve der üblicherweise angewandten Verschraubung zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel mit der engsten Stelle des Kulissensteins der Schaltkulisse. Um dies zu verhindern, ist eine leichte Schrägstellung des Bereichs der Verschraubung zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel hilfreich, da so die Schraubenhüllkurve aus dem Bereich des Kulissensteins heraus verlagert und die Trajektorie des Abgriffselements in einem vergrößerten Winkelbereich durch die Schaltkulissen fahren kann.
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Aus diesen Gründen kann der Pleuel in einem alternativen Ausführungsbeispiel vorteilhaft eine schräg zu einer Querachse des Hublagerauges ausgebildete Teilung in Form einer Trennfuge zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel auf. Der Winkelbereich zwischen Trennfuge und Querachse des Hublagerauges kann vorteilhaft zwischen 10° und 20°, vorzugsweise ca. 15°, betragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Trennflächen von Pleuelkörper und Pleueldeckel jeweils zueinander formschlüssig korrespondierend ausgebildet sein. Eine formschlüssige Verbindung der jeweils zu verbindenden Trennflächen der Trennfuge des Pleuels ist vorteilhaft, da so die im Betrieb auftretenden Querkräfte auf die Schrauben, mittels derer Pleuelkörper und Pleueldeckel verbunden sind, reduziert werden können. Eine unterschiedliche Ausbildung der formschlüssigen Verbindung auf den beiden Seiten des Hublagerauges kann zweckmäßig sein, da so eine geometrische Überbestimmung beim Verbinden von Pleuelkörper und Pleueldeckel vorteilhaft vermieden werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Trennfuge und die Trennflächen mittels Bruchtrennen eines Pleuelrohlings ausgebildet sind. Bruchtrennen stellt eine zuverlässige Methode dar, um eine Trennung zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel eines einstückig gefertigten Pleuels zu erreichen. Die dabei entstehenden Trennflächen können auf der nichthydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges direkt verwendet werden. Die Trennflächen auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges können die Trennflächen günstiger Weise nachbearbeitet, beispielsweise gefräst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Trennflächen jeweils zueinander formschlüssig korrespondierende Verzahnungsprofile aufweisen.
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Bei einer Verzahnung der Trennfuge des Pleuels können Zähne sowohl in den Pleueldeckel als auch in den Pleuelkörper eingebracht. Die Zähne können vorteilhaft so orientiert sein, dass Querkräfte der Trennfuge über die Zahnflanken aufgenommen werden können. Dabei entsteht ein Spalt zwischen Pleueldeckel und Pleuelkörper, da der Formschluss toleranzbedingt nur an den Flanken erfolgt. Für eine Anwendung mit Verstelleinrichtung, bei der die Trennfuge des Pleuels auch eine Dichtwirkung aufweisen muss, zumindest bei im Pleueldeckel liegendem Umschaltventil, ist eine konventionelle Verzahnung deshalb nicht zweckmäßig. Liegen jedoch die Hydraulikleitungen für Zulauf und Ablauf der Hydraulikkammern auf einer Seite des Hublagerauges, kann zumindest die nicht-hydraulikflüssigkeitsführende Seite des Hublagerauges mit einer konventionellen Verzahnung versehen werden. Bei schräg geteiltem Pleuel kann eine solche Aufteilung besonders vorteilhaft sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Hydraulikleitungen auf einer einzigen, hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges ausgebildet sind. Hierdurch kann die andere, nicht-hydraulikflüssigkeitsführende Seite des Hublagerauges mit einer konventionellen Verzahnung versehen werden. Die zu dem Verbindungsmittel parallele Führung der Hydraulikleitung stellt eine besonders bauraumsparende Lösung für die Weiterführung der Hydraulikleitung über die Trennfuge hinweg dar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Trennfuge der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges derart ausgebildet sein, dass eine Abdichtung der Trennfuge erzielt werden kann. Das Umschaltventil ist, wie bereits ausgeführt, im Pleueldeckel angeordnet. Dadurch muss die wenigstens eine Hydraulikleitung zur Versorgung der Hydraulikkammern der Verstelleinrichtung des Pleuels vom Pleuelkörper über die Trennfuge hinweg in den Pleueldeckel weitergeführt werden. Günstiger Weise wird dabei die Verbindung der beiden Trennflächen auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges leckagearm ausgeführt, um eine sichere Funktion der Hydraulikkammern und damit der Verstelleinrichtung sicherzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können die Trennflächen auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges derart ausgebildet sein, dass die wenigstens eine Hydraulikleitung an der Trennfuge zwischen Pleuelkörper und Pleueldeckel abgedichtet weitergeführt ist. Die einander gegenüberliegenden Trennflächen können zweckmäßigerweise plan bearbeitet werden, um so eine möglichst geringe Leckage im montierten Zustand des Pleuels zu erreichen. Möglich ist auch, zusätzliche Dichtelemente in den Auslässen selbst oder um die Auslässe, wie beispielsweise zusätzliche O-Ring-Dichtungen vorzusehen. Damit kann eine zuverlässige Abdichtung auch im Betrieb des Pleuels gewährleistet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels kann die Verstelleinrichtung als Exzenter-Verstelleinrichtung ausgebildet sein. Dabei die Exzenter-Verstelleinrichtung einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter mit einem Pleuellagerauge, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufgenommen ist, und zwei Zylinder als Hydraulikkammern mit jeweils einem Kolben aufweisen, der in dem Zylinder verschiebbar geführt und mit einer Stützstange gelenkig verbunden ist, welche am anderen Ende mit dem Exzenterhebel verbunden ist. Dabei sind die Hydraulikkammern direkt oder über das Umschaltventil mit einer Versorgungsleitung verbindbar. Eine solche Verstelleinrichtung kann eine effektive und zuverlässige Verstellbarkeit des Exzenters mit dem darin angeordneten Pleuelauge gewährleisten, um so die effektive Pleuelstangenlänge für den Verbrennungsbetrieb der Brennkraftmaschine sicher einzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels können Zulauf und Ablauf einer Hydraulikkammer als jeweils eine einzige Hydraulikleitung ausgebildet sein. Eine solche Ausführung mit einer einzigen Hydraulikleitung für Zulauf und Ablauf der Hydraulikkammern der Verstelleinrichtung stellt eine besonders günstige und bauraumsparende Ausgestaltung eines Pleuels dar. Damit können die Dimensionen des Pleuels günstig gestaltet werden. Der Pleuel lässt sich auch kostengünstiger herstellen.
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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 verwendet werden, um auf günstige Weise eine Exzenter-Verstelleinrichtung zu realisieren, und dadurch einen vorteilhaften Verbrennungsprozess und damit Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umzusetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Pleuels mit einem Umschaltventil, teilweise geschnitten, in Stellung niedriger Verdichtung, wobei ein Ausschnitt Z markiert ist;
- 2 einen Längsschnitt des Pleuels gemäß 1 in Stellung hoher Verdichtung;
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Hülse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Hülse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Hülse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Hülse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Hülse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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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Die 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, welches beispielhaft dargestellt ist.
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Der Pleuel 1 weist eine Exzenter-Verstelleinrichtung 5 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge 50 mit einem Umschaltventil 12 auf. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf das konkrete Ausführungsbeispiel des Pleuels 1 beschränkt.
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Der Pleuel 1 umfasst einen Pleuelkörper 2 und einen Pleueldeckel 3, welche ein Hublagerauge 4 zur Anbindung des Pleuels 1 an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bilden. Die als Exzenter-Verstelleinrichtung 5 ausgebildete Verstelleinrichtung weist einen mit einem Exzenterhebel 24 zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter 25 mit einem Pleuellagerauge 26 auf, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufgenommen ist. Weiter weist die Verstelleinrichtung 5 zwei Zylinder 6, 7 als Hydraulikkammern 27, 28 mit jeweils einem Kolben 8, 9 auf, der in dem Zylinder 6, 7 verschiebbar geführt und mit einer Stützstange 10, 11 verbunden ist, welche am anderen Ende mit dem Exzenterhebel 24 verbunden ist. Die Hydraulikkammern 27, 28 sind direkt oder über ein Umschaltventil 12 mit einer Versorgungsleitung 15 verbunden.
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Die effektive Pleuelstangenlänge 50 stellt dabei den Abstand zwischen einer Mittelachse des Hublagerauges 4 und des Pleuellagerauges 26 dar. Der Pleuel 1 in 1 ist in Stellung niedriger Verdichtung mit einer kleineren effektiven Pleuelstangenlänge 50 dargestellt, während es in 2 in Stellung hoher Verdichtung mit einer höheren effektiven Pleuelstangenlänge 50 dargestellt ist.
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Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 sind mittels Verbindungsmittel 23, hier Verbindungsschrauben 23, miteinander verbunden.
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Die Zylinder 6, 7 bilden Hydraulikkammern 27, 28 (eine Massenkraftseite (MKS) - Kammer und eine Gaskraftseite (GKS) - Kammer), wobei sowohl jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 27, 28 als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Hydraulikkammern 27, 28 vorgesehen ist. Zulauf und/oder Ablauf sind jeweils über Hydraulikleitungen 33, 34 mit dem Umschaltventil 12 hydraulisch verbunden (siehe 4 und 5), wobei die Hydraulikleitungen 33, 34 über die Trennfuge 30 zum Umschaltventil 12 im Pleueldeckel 3 führen. Zulauf und Ablauf können je Hydraulikkammer 27, 28 auch durch eine einzige Hydraulikleitung 33, 34 gebildet sein.
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Das Umschaltventil 12 ist zum Steuern des Hydraulikflüssigkeitsstroms des Pleuels 1 zur Verstellung der effektiven Pleuelstangenlänge mit der Exzenter-Verstelleinrichtung 5 vorgesehen. Es umfasst in der gezeigten, mechanisch betätigbaren Ausführung ein Ventilgehäuse 13 sowie ein Abgriffselement 14 und ist im Pleueldeckel 3 angeordnet. Zur Betätigung wird eine nicht dargestellte Schaltkulisse verwendet, die in der Regel direkt unter der Kurbelwelle platziert wird. Eine Anordnung des Umschaltventils 12 im Pleuelkörper 2 ist ebenfalls denkbar.
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Die Hydraulikkammern 27, 28 sind je nach Ausführung des Pleuels 1 direkt oder über das Umschaltventil 12 mit einer Versorgungsleitung 15 verbindbar, welche von einer Nut 16 des Hublagerauges 4 abzweigt.
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Bei der Montage des Pleuels 1 in einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise der Pleuel 1 durch die Zylinderbohrung eingeführt. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn eine Quererstreckung des Pleuels 1 möglichst geringgehalten wird. Aus diesem Grund ist eine Trennfuge 30 zwischen Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 schräg zu einer Querachse Q des Hublagerauges 4 ausgebildet. Ein weiterer Vorteil der Schrägstellung der Trennfuge 30 liegt in der Integration einer Schaltkulisse zur Betätigung des Umschaltventils 12. Auf diese Weise kann eine Kollision zwischen Schraubenhüllkörper und Kulissenstein günstig verhindert werden, da das Abgriffselement 14, wenn mittig unterhalb des Hublagerauges 4 im Pleueldeckel 3 platziert, hier am weitesten von der Kurbelwellenhüllkurve entfernt liegt. Darüber hinaus kommt die Hüllkurve der Verbindungsschrauben 23, die eine signifikante Breite haben kann, nicht in Berührung mit dem Kulissenstein der Schaltkulisse.
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Eine weitere Alternative, die Kollision zwischen Schraubenhüllkörper und Kulissenstein zu verhindern, liegt in der Umkehrung der Achsrichtung der Verbindungsschraube 23, sodass die Schraubenkopfauflage nicht mehr im Pleueldeckel 3, sondern im Pleuelkörper 2 vorgesehen ist. Ist die Verbindungsschraube 23 kurz genug dimensioniert und in einer Sacklochbohrung untergebracht, kann der gewonnene Bauraum unter der Verbindungsschraube 23 für ein Umschaltventil 12 mit Abgriffselement 14 genutzt werden.
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Der Pleuelkörper 2 und der Pleueldeckel 3 weisen jeweils paarweise Trennflächen 37, 38 auf, welche im verbundenen Zustand die Trennfuge 30 bilden. Um Querkräfte auf die Verbindungsmittel 23 bzw. die Verbindungsschrauben auszuschließen, ist es weiter vorgesehen, dass die Trennflächen 37, 38 jeweils zueinander formschlüssig korrespondierend ausgebildet sind.
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Die Trennfuge 30 und die Trennflächen 37, 38 sind vorzugsweise mittels Bruchtrennen eines Pleuelrohlings ausgebildet, welche optional, insbesondere auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges 4, noch nachbearbeitet sein können.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Trennflächen 37, 38 jeweils formschlüssig korrespondierende Verzahnungsprofile aufweisen.
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Bei einer Verzahnung der Trennfuge 30 können Zähne in analoger Weise zu einem Zahnrad sowohl in den Pleueldeckel 3 als auch in den Pleuelkörper 2 eingebracht werden. Die Zähne sind dabei vorteilhaft so orientiert, dass Querkräfte der Pleueltrennfuge 30 über die Zahnflanken aufgenommen werden können. Dabei entsteht ein Spalt zwischen Pleueldeckel 3 und Pleuelkörper 2, da der Formschluss toleranzbedingt nur an den Flanken erfolgt.
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Da das Umschaltventil 12 im Pleueldeckel 2 angeordnet ist, muss die Trennfuge 30 des Pleuels 1 derart ausgebildet sein, dass eine Abdichtung oder zumindest eine Leckage-minimierte Ausbildung der Trennfuge 30, insbesondere der Hydraulikleitung 33, 34 erzielt werden kann. Das bedeutet, dass die Trennflächen 37, 38 auf der hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges 4 vorteilhaft derart ausgebildet sind, dass die wenigstens eine Hydraulikleitung 33, 34 an der Trennfuge 30 zwischen Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 abgedichtet weitergeführt ist
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Vorzugsweise sind beide Hydraulikleitungen 33, 34 (GKS und MKS Zu-/Ableitung) auf einer hydraulikflüssigkeitsführenden Seite der Trennfuge 30 ausgebildet.
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Der Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 27, 28 und der Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 27, 28 sind in diesem Ausführungsbeispiel als jeweils eine einzige Hydraulikleitung 33, 34 ausgebildet, d.h. der Zulauf und der Ablauf sind als eine einzige Hydraulikleitung 33, 34 realisiert, so dass diese auf einer einzigen, hydraulikflüssigkeitsführenden Seite des Hublagerauges 4 im Bereich der Trennfuge 30 im Wesentlichen parallel zu einem Verbindungsmittel 23 zum Anschluss des Pleueldeckels 3 an den Pleuelkörper 2 verlaufen. Das Verbindungsmittel 23 ist parallel zu einer Tangente am Hublagerauge 4 angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist im Bereich der Trennfuge 30 zur Abdichtung der Hydraulikleitung 33, 34 ein Dichtelement 36 vorgesehen. Dieses kann beispielhaft als Passhülse 39 ausgebildet sein. In den 3 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen einer Passhülse 39 im Detail ausgeführt.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von schräg-geteilten Pleuel beschränkt und kann grundsätzlich auch bei gerade-geteilten Pleuel eingesetzt werden, um einen Leckage-minierten Hydraulikflüssigkeitstransport zwischen den beiden Pleuelbauteilen 2, 3 zu ermöglichen.
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3 zeigt dazu einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Passhülse 39 als Dichtelement 36 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die wenigstens eine Hydraulikleitung 33, 34 weist zu beiden Seiten der Trennfuge 30 Bohrungen 31, 32 auf, welche zur Aufnahme einer Hülse 39 als Dichtelement 36 vorgesehen sind. Die Passhülse 39 ist im montierten Zustand des Pleuels 1 in den beiden Bohrungen 31, 32 im Pleuelkörper 2, bzw. im Pleueldeckel 3 angeordnet. Die Passhülse 39 ermöglicht einen Leckage-minimierten Transport der Hydraulikflüssigkeit zwischen Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3. Dabei kann die Passhülse 39 wahlweise im Pleuelkörper 2 und/oder im Pleueldeckel 3 in der Bohrung 31, bzw. der Bohrung 32 verpresst werden. Auf der jeweils anderen Trennfugenseite lässt sich dann ein definierter Ringspalt 40 zwischen Passhülse 39 und Bohrung 31 einstellen. Durch eine hohe Spaltlänge kann eine geringe Leckage sichergestellt werden. Zudem kann mit der Passhülse 39 die axiale Position von Pleueldeckel 3 zu Pleuelkörper 2 fixiert werden, da dieser Freiheitsgrad bei einer geraden Verzahnung frei bleibt. Beim Einsatz von Passhülsen 39 auf beiden Seiten des Hublagerauges 4 ist eine entstehende statische Überbestimmtheit durch Toleranzauslegung aufzulösen.
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Die gezeigte Ausführung des Pleuels 1 erlaubt zum einen auftretende Querkräfte in der Trennfuge 30 über den Formschluss, z. B. eine Verzahnung, aufzunehmen und zum anderen einen Leckage-minimierten Hydraulikflüssigkeitstransport zwischen Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 mithilfe der Passhülse 39, die vorzugsweise aus Stahl ausgebildet sein kann.
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Die Passhülse 39 kann verschiedene Wandstärken und Materialien aufweisen. Alternativ kann beispielsweise eine Passhülse aus PTFE (Teflon) eingesetzt werden, die eine Leckage-freie Hydraulikflüssigkeitsführung ermöglicht.
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Bei ausreichend groß dimensionierten Passhülsen könnte gänzlich auf eine Verzahnung verzichtet und die Querkräfte über die Passhülsen übertragen werden. Vorteilhaft könnte das in einem Pressverband auf beiden Trennfugenseiten geschehen, um dadurch einen Formschluss zu erreichen.
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In 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Passhülse 39 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Hülse 39 im montierten Zustand von Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 in den Bohrungen 31, 32 axial verspannt. Dadurch kann die Hülse 39 mit ihren beiden Enden gegen Absätze in den Bohrungen 31, 32, bzw. der Hydraulikleitung 33, 34 geeignet verpresst werden. Auf diese Weise lässt sich eine mögliche Hydraulikflüssigkeitsleckage der Hydraulikleitung 33, 34 vorteilhaft reduzieren.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Passhülse 39 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 39 in axialer Richtung eine Dichtkontur 41 auf, mittels welcher die Hülse 39 im montierten Zustand von Pleuelkörper 2 und Pleueldeckel 3 gegen den Pleuelkörper 2 und/oder den Pleueldeckel 3 verspannt ist. Mittels einer solchen Dichtkontur 41, welche beispielsweise als rundum auf einer Stirnseite der Hülse 39 umlaufende Schneidkante ausgebildet sein kann, kann eine mögliche Hydraulikflüssigkeitsleckage der Hydraulikleitung 33, 34 auf einfache Weise reduziert werden.
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In 6 ist ein vergrößerter Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Passhülse 39 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 39 ein rundumlaufendes Dichtelement 42 auf, mittels welchem die Hülse 39 radial gegen die Bohrung 31, 32 abgedichtet ist. Ein solches Dichtelement 42, beispielsweise ein umlaufender O-Ring, erlaubt eine wirkungsvolle Abdichtung der Hülse 39 gegen die Bohrung 31. Damit kann eine mögliche Leckage der Hydraulikleitung 33, 34 auf wirkungsvolle Weise reduziert werden.
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7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt Z des Pleuels gemäß 1 mit einer Passhülse 39 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 39 an wenigstens einem Ende ein rundumlaufendes Dichtelement 43 auf, mittels welchem die Hülse 39 in axialer und/oder radialer Richtung gegen die Bohrung 31, 32 abgedichtet ist. Ein solches Dichtelement 43 kombiniert eine axiale Abdichtung durch Verpressung gegen einen Absatz in der Bohrung 31 oder Hydraulikleitung 33, 34 mit einer radialen Abdichtung gegen die Innenwand der Bohrung 31 oder Hydraulikleitung 33, 34. Auf diese Weise kann eine mögliche Leckage der Hydraulikleitung 33, 34 auf wirkungsvolle Weise reduziert werden.
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Alternativ kann die Passhülse 39 auch durch ein allgemeines Dichtelement ersetzt werden, wie beispielsweisen einen O-Ring. In einer weiteren Ausführungsform könnte die Passhülse dünnwandig ausgeführt sein und auf beiden Trennfugenseiten verpresst werden. Auch dadurch könnte die Leckage an Hydraulikflüssigkeit vorteilhaft minimiert werden.
