DE10211971A1

DE10211971A1 - Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10211971A1
Application number: DE10211971A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gutzer; Michael Bidlingmaier; Maximilian Hauk
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest einem Pleuel (1), welches über eine, um eine Drehachse (2) drehbar angeordnete, exzentrische Hülse (3) mit ungleicher Massenverteilung auf einem Hubzapfen (4) einer Kurbelwelle gelagert ist, wobei die Massenverteilung derart angeordnet ist, dass die Hülse (3) beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Unwuchtmoment verdrehbar ist. DOLLAR A Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Hülse ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine zu verändern, ohne einen zusätzlichen Antrieb für die Hülse zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift 39 17 468 aus. In dieser ist eine Vorrichtung zur Erhöhung des Drehmomentes für Verbrennungskraftmaschinen in Unabhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle beschrieben. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Kurbelwelle mit einem Hubzapfen, um den eine exzentrische Lagerschale angeordnet ist, deren Außenfläche gleichzeitig als Lagerung für das große Pleuelauge eines Pleuels dient. Die exzentrische Lagerschale ist drehbar um den Hubzapfen gelagert und verfügt über einen in Kurbelwellenachsrichtung herausstehenden Dorn, der bei einer Drehung der Kurbelwelle in eine Gleitkulisse eingreift. Durch den Eingriff des Dorns in die Gleitkulisse wird die exzentrische Lagerschale derart um den Zapfen verdreht, dass die effektive Pleuellänge verändert wird. Diese Verlängerung der effektiven Pleuellänge bewirkt eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine, entweder in Form einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses oder in Form einer längeren Kompressionsdauer. Das Ziel in der DE 39 17 468 A1 ist es, die Dauer der maximalen Kompression zu verlängern. Um den maximalen Verdrehwinkel der exzentrischen Lagerschale zu begrenzen, ist über einen Teilumfang auf der Innenlauffläche der Lagerschale mittig eine Nut angeordnet. In dieser Nut ist eine Druckfeder eingelegt, die sich einerseits an der exzentrischen Lagerschale abstützt und andererseits auf einem, in den Hubzapfen eingelegten Stift. Wenn der in Kurbelwellenachsrichtung herausragende Dorn der exzentrischen Lagerschale beim Betrieb der Brennkraftmaschine in die Spurgasse einspurt, ist der maximale Verstellwinkel auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzt. Spurt der Dorn aus dieser Spurgasse wieder aus, so drückt die Druckfeder die exzentrische Lagerschale wieder in ihre Ausgangsposition, bis der Dorn bei der nächsten Kurbelwellenumdrehung wieder in die Spurgasse eingreift.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist jedoch der hohe Bauaufwand, der für die Veränderung der effektiven Pleuellänge wegen des aufwendigen Schaltmechanismus nötig ist, von Nachteil.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses aufzuzeigen, welche den hohen Bauaufwand vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Unwuchtmoment in seinem Betrag den Verstellanforderungen angepasst werden. Somit ist eine drehzahlabhängige und/oder reibungsabhängige und/oder von der Geometrie abhängige Schaltlogik realisierbar. Ferner kann das Unwuchtmoment derart ausgelegt werden, dass sich bei Betrieb der Brennkraftmaschine die gewünschte Verdreh- (mit oder gegen die Kurbelwellendrehrichtung), sowie die Verstellrichtung (Verstellung zu niedriger oder hoher Verdichtung hin) der Hülse einstellt. Darüber hinaus kann eine Verstellrichtung, ausgehend von einer Verdichtungsstellung, besonders bevorzugt werden, um eine schnelle Verstellung zu erreichen. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn sehr schnell von hoher Verdichtung zu niedriger Verdichtung umgeschaltet werden muss, falls Klopfen eintritt.

In vorteilhafter Weise kann mit Hilfe einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 die effektive Länge des Pleuels fixiert und verrastet werden. Im Falle einer schaltbaren Einrastvorrichtung, kann in Abhängigkeit von Drehzahl bzw. Last der Brennkraftmaschine die effektive Pleuellänge derart angepasst werden, dass für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die ideale Verdichtung zur Verfügung steht.

Gemäß der Patentansprüche 3 und 4 ist eine Einrastvorrichtung einfach und kostengünstig durch spanende oder spanlose Fertigung herstellbar.

Gemäß der Patentansprüche 5 und 6 ist auf einfach Art und Weise die gezielte Beeinflussung, sowie die Überprüfung der ungleichen Massenverteilung erzielbar.

Bei einer Ausführung gemäß der Patentansprüche 7 bis 9 kann die Massenungleichverteilung sowohl im Rahmen einer spanlosen als auch im Rahmen einer spanenden Fertigung erzielt werden. Bei entsprechender Materialauswahl ist es auch denkbar, die Massenungleichverteilung ausschließlich über die Materialauswahl zu erreichen, was die Fertigungskosten nochmals wesentlich senkt. Dies bedeutet, dass anstelle einer Materialungleichverteilung Materialien aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie z. B. Leichtmetall und Schwermetall eingesetzt werden, um das Unwuchtsmoment gezielt zu erzeugen und zu beeinflussen.

Gemäß Patentanspruch 10 kommen mehrteilige Hülsen zum Einsatz, wodurch vor allem die Montage wesentlich vereinfacht und somit Herstellkosten gesenkt werden.

In den Patentansprüchen 11 und 12 sind zwei grundsätzliche Varianten der Hülsengestaltung beschrieben, einerseits die Verwendung von lösbar miteinander verbundenen Hülsenelementen und andererseits von unlösbar miteinander verbundenen Hülsenelementen. Grundsätzlich richtet sich die Auswahl in erster Linie nach den geometrischen Einbauverhältnissen, sowie den mechanischen Anforderungen. Darüber hinaus spielen auch die Reibungspartner (Werkstoffauswahl) eine wichtige Rolle, bei der Wahl welche grundsätzliche Verbindungsart für die jeweilige Werkstoffpaarung am günstigsten ist.

Gemäß Patentanspruch 13 ist eine Oberflächenbehandlung der Berührflächen zwischen Pleuel, bzw. Hubzapfen und Hülse, entsprechend der Innen- und der Außenlaufbahn, möglich, um die Reibbedingungen zu optimieren. Eine Optimierung der Reibbedingungen führt zu einer Verringerung der für die Drehbewegung der Hülse notwendigen Massenungleichverteilung, da ein geringeres Unwuchtmoment zur Drehung der Hülse benötigt wird. Grundsätzlich wird bei der Reibungsverminderung im Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine auch der Kraftstoffbedarf für diese wesentlich reduziert.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Kräfteplans, sowie einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in zwei Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Kräfteplan für eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine,
Fig. 2 zeigt die schematische dreidimensionale Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles für eine erfindungsgemäße Hülse.
In Fig. 1 ist schematisch ein Kräfteplan für einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt. Eine nicht näher dargestellte Kurbelwelle verfügt über einen Hubzapfen 4, der beim Betrieb der Brennkraftmaschine um eine Kurbelwellenachse 6 rotiert. Radial um den Hubzapfen 4 ist eine Hülse 3 angeordnet, die um eine Drehachse 2, der Achse des Hubzapfens 4, verdrehbar ist und somit die Funktion des Hublagers übernimmt. Die Hülse 3 ist exzentrisch zur Drehachse 2 ausgebildet und ihr radialer Außenumfang ist in einem Pleuelauge 1' eines Pleuels 1 gelagert. Sie kann sich im Pleuelauge 1' verdrehen, bzw. in den Stellungen φ = 0° (z. B. hohe Verdichtung) oder φ = 180° (niedrige Verdichtung) arretiert werden. φ' bezeichnet die Drehgeschwindigkeit der Hülse 3 im Pleuelauge 1', d. h. die zeitliche Änderung des Winkels φ zwischen der Hülse 3 und dem Pleuelauge 1'. An dem freien Ende des Pleuels 1 ist ein nicht dargestellter Kolben angelenkt. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine rotiert die nicht näher dargestellte Kurbelwelle um die Kurbelwellenachse 6 und die Drehachse 2 rotiert um die Kurbelwellenachse 6 auf dem Kurbelkreis 5 in einem Abstand 5', dem Kurbelradius, mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_KW. Die Hülse 3 ist in zwei Stellungen, den Maximalstellungen für minimale und maximale Pleuellänge, arretierbar.
In Abhängigkeit von der Winkelstellung des Pleuels bezüglich der Kurbelwellenachse 6 treten im Wesentlichen folgende Kräfte im Pleuelauge 1' des Pleuels 1 auf:

1. F_M,osz + F_Gas = Kraft im Pleuel in Richtung Drehachse 2. (Oszillierende Kolben-Massenkraft + Gaskraft der Verbrennung auf den Kolben)
2. F_M,rot = Rotatorische Massen-Kraft des rotierenden Massenanteils des Pleuels um das Pleuelauge 1'.
3. F_Res,Pleuel = F_M,rot + F_M,osz + F_Gas (Resultierende Kraft vom Pleuel 1 auf die Hülse 3 einwirkende Kraft).

1. F_Reib = Reibkraft in tangentialer Richtung zu den Gleitoberflächen zwischen Hülse 3 und Pleuel 1, aufgrund F_Res,Pleuel.
2. F_m,Exzenter = Massenträgheitskraft des Exzenters bei Drehung um die Kurbelwellenachse 6. F_m,Exzenter ist von 4. unabhängig, hängt nur von der Exzentrizität und der Masse der Hülse 3 ab.

Die in mindestens zwei Winkelpositionen im Pleuel 1 arretierbare Hülse 3, entsprechend zwei unterschiedlich hohen Verdichtungszuständen der Brennkraftmaschine, wird nach Lösen der nicht dargestellten Arretierung durch die aktuell wirkenden, gerade beschriebenen Kräfte drehbeschleunigt und erreicht so die jeweils andere Arretier-Position, entsprechend einem kurzen, bzw. einem längeren Pleuel 1.
Ausgehend von im Pleuel 1 stillstehender Hülse 3, können die Kräfte vom Pleuel 1 auf die Hülse 3, wegen der anfänglichen Haft-Reibung zwischen Hülse 3 und Pleuel 1, bzw. Pleuelauge 1' nicht vor Bewegungsbeginn bzw. erst nach Bewegungsbeginn der Hülse 3 im Pleuelauge 1' (Gleitreibung ist bei Relativbewegung geringer und der resultierende Hebelarm > 0), genutzt werden.
Die resultierende Pleuelkraft, F_Res,Pleuel weist bei Durchlaufen der Drehachse 2 auf dem Kurbelkreis 5 zwei Nulldurchgänge auf, in denen auch die Reibkräfte, F_Reib zwischen Hülse 3, Pleuel 1 und Hubzapfen 4 entsprechend klein werden, so dass die Hülse 3 aufgrund ihrer Exzentrizität unter der Wirkung der Zentripetalbeschleunigung bei rotierender Kurbelwelle im Pleuelauge 1' drehbeschleunigt wird. Das beschleunigende Moment, M, berechnet sich aus:

M = F_m,Exzenter × h

wobei h der lotrecht auf der Wirkungslinie der Trägheitskraft F = M_Exzenter × r × ω_KW² stehende Anteil der Exzentrizität e ist. e ist der Abstand des Schwerpunktes S der Hülse 3 von A, wobei A die geometrische Mitte des Pleuelauges 1' ist.
Je nach Lage des Schwerpunktes S. d. h. je nach Lage der Unwucht der Hülse 3 kann das Moment M abhängig von der jeweils aktuellen Verdichtungseinstellung, beeinflusst werden. Dies gilt sowohl für den Wert des Kurbelwinkels, bei dem das Moment M das Maximum annimmt, als auch für den Betrag des Moments M. M_Schlepp ist das Schleppmoment des Gleitlagers zwischen der Hülse 3 und dem Hubzapfen 4.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante einer Hülse 3 dargestellt. Die Hülse 3 ist ringförmig und im halben Querschnitt weitestgehend U-förmig ausgebildet mit einem ersten Schenkel 3a und einem zweiten Schenkel 3b. Sie weist eine Innenlaufbahn 7 und eine Außenlaufbahn 8 auf. Die Innenlaufbahn 7 korrespondiert mit einer Außenlaufbahn des Hubzapfens 4, die Außenlaufbahn 8 korrespondiert mit einer Innenlaufbahn des Pleuelauges 1'. Die Hülse 3 ist zweiteilig mit einer Trennebene 9, welche die Drehachse 2 in einer Ebene schneidet. Das erste Hülsenelement 13 und das zweite Hülsenelement 14 sind über eine lösbare Verbindung 10, 10', hier eine Schraubverbindung, miteinander verbunden. An Schenkeln 3a und 3b befindet sich jeweils eine Einrastvorrichtung 11, 11'. Durch die Lage der Einrastvorrichtungen 11, 11' ist die maximale und die minimale Pleuellänge definiert. Auch Zwischeneinraststellungen sind möglich. Um die Massenungleichverteilung der Hülse 3 zu vergrößern, ist im Bereich der Einrastvorrichtung 11, am Umfang der Schenkel 3a und 3b, Material abgetragen, um durch massenreduzierte Bereiche 12, 12, 12'' die Masse auf dieser Seite der Hülse 3 zu reduzieren. Auf der, den massenreduzierten Bereichen 12, 12' und 12'' gegenüberliegenden Seite sind die Schenkel 3a, 3b in radialer Richtung abgesehen von der Einrastvorrichtung 11' erhöht und nicht nachbearbeitet. Somit wird die Unwucht maximiert, da einer einseitigen lokalen Materialreduzierung auf der gegenüberliegenden Seite eine Materialanhäufung gegenübersteht.
Die hier dargestellte Hülse 3 ist ein Dreh-, Frästeil, welches in der Endbearbeitung auf seiner Innen- und Außenlaufbahn 7, 8 durch Schleifen noch nachbearbeitet ist. In weiteren Ausführungsvarianten sind auch Schmiede- bzw. Sintermaterialien denkbar. Die Trennebene 9 kann sowohl durch mechanische Bearbeitung vor der Endbearbeitung, als auch durch Cracken, beispielsweise für Sinterbauteile, erzeugt werden.
Die Innenlaufbahn 7 sowie die Außenlaufbahn 8 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel reibungsmindernd beschichtet, können jedoch auch durch Wärmebehandlung entsprechend verschleißfest gemacht werden.
Die lösbaren Verbindungen 10, 10', hier eine Schraubverbindung, können auch durch weitere lösbare Verbindungen, wie beispielsweise Klemmverbindungen, oder durch unlösbare Verbindungen, wie beispielsweise Lötverbindungen, ersetzt werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Massenungleichverteilung auch durch Hülsenelemente unterschiedlicher Materialien, das heißt Materialein mit unterschiedlicher Dichte, hergestellt werden. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass sowohl die Innenlaufbahn 7 als auch die Außenlaufbahn 8 jeweils am gesamten Umfang eine Beschichtung oder Oberflächenbehandlung erhalten. Bezugszeichenliste 1 Pleuel
1' Pleuelauge
2 Drehachse
3 Hülse
3a erster Schenkel
3b zweiter Schenkel
4 Hubzapfen
5 Kurbelkreis
5' Kurbelradius
6 Kurbelwellenachse
7 Innenlaufbahn
8 Außenlaufbahn
9 Trennebene
10, 10' Verbindung
11, 11' Einrastvorrichtung
12, 12', 12'' Massenreduzierter Bereich
13 Erstes Hülsenelement
14 Zweites Hülsenelement

Claims

1. Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bestehend aus zumindest einem Pleuel welches über eine, um eine Drehachse drehbar angeordnete, exzentrische Hülse mit ungleicher Massenverteilung auf einem Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenverteilung derart angeordnet ist, dass die Hülse (3) beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Unwuchtmoment verdrehbar ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) zumindest eine Einrastvorrichtung (11, 11') aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrastvorrichtung (11, 11') radial am Außenumfang der Hülse (3) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) aus einem einzigen Material gefertigt ist.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenverteilung durch eine Materialungleichverteilung um die Drehachse (2) erzeugt ist.

6. Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialungleichverteilung durch eine lokale Materialanhäufung und/oder eine lokale Materialausnehmung erzeugt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) zumindest aus einem ersten Material und einem zweiten Material gefertigt ist.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material gegenüber dem zweiten Material eine unterschiedliche Dichte aufweist.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenverteilung durch eine Anordnung des ersten Materials und des zweiten Materials erzeugt ist.

10. Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) zumindest in einer Ebene der Drehachse (2) in ein erstes Hülsenelement (13) und ein zweites Hülsenelement (14) geteilt ist.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsenelemente (13, 14) lösbar miteinander verbunden sind.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsenelemente (13, 14) unlösbar miteinander verbunden sind.

13. Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei die Hülse gegenüber der Kurbelwelle eine Innenlaufbahn (7) und gegenüber dem Pleuel eine Außenlaufbahn (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlaufbahn (7) und/oder die Außenlaufbahn (8) mit einem weiteren Material beschichtet und/oder wärmebehandelt ist.