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Bei Kolbenmaschinen, insbesondere
bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist es erwünscht, im Betrieb das Verdichtungsverhältnis ändern zu
können.
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Bei Kolbenbrennkraftmaschinen wirkt
sich ein hohes Verdichtungsverhältnis ⎕positiv
auf den Wirkungsgrad aus. Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, nachstehend
Ottomotor genannt, die ein festes Verdichtungsverhältnis ⎕ aufweisen, darf
das Verdichtungsverhältnis ⎕jedoch
nur so hoch gewählt
werden, daß bei
Vollastbetrieb ein "Klopfen" vermieden wird.
Für den
weitaus häufiger
auftretenden Teillastbetrieb, also bei geringer Füllung, könnte ein
Verdichtungsverhältnis
mit höheren
Werten für ⎕ gewählt werden,
ohne daß ein "Klopfen" auftreten würde. Das
bedeutet, daß der
wichtige Teillastwirkungsgrad bei einem Ottomotor verbessert werden könnte, wenn
das Verdichtungsverhältnis
?variabel einstellbar wäre.
Damit wäre
es möglich,
bei Vollast den Ottomotor mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ?zu
betreiben und bei Teillast bei einem größeren Verdichtungsverhältnis ?zu
betreiben. Da bei aufgeladenen Ottomotoren das Verdichtungsverhältnis σim allgemeinen
niedriger gewählt
werden muß als
bei Saugmotoren, wäre
bei aufgeladenem Motor der zu erzielende Vorteil eines variablen
Verdichtungsverhältnisses σentsprechend
größer.
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Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine
mit Selbstzündung,
nachstehend Dieselmotor genannt, wäre es ebenfalls von Vorteil,
das Verdichtungsverhältnis ⎕ variabel
zu gestalten. Für
den Motorstart wäre
ein höheres
Verdichtungsverhältnis σvorteilhaft, während für den normalen
Motorbetrieb das Verdichtungsverhältnis ⎕verringert
werden könnte,
um die Bauteilbelastungen entsprechend zu verringern.
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Aus
DE-U-297 19 343 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine
mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis bekannt, bei der die
Kurbelwelle exzentrisch in Lagerringen gelagert ist, die ihrerseits
im Motorblock verdrehbar gelagert sind. Die Kurbelwellenlagerexzenter
sind mit Schwenkhebeln versehen, an denen ein Stellantrieb angreift.
Damit ist es möglich, über den
Stellantrieb durch ein Verschwenken der Lagerexzenter die Kurbelwelle
gegenüber
dem Motorblock anzuheben, so daß das
Verdichtungsverhältnis ⎕vergrößert wird,
oder abzusenken, so daß das
Verdichtungsverhältnis ⎕verringert
wird.
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Es sind ferner Kolbenbrennkraftmaschinen bekannt,
bei denen die Kurbelwelle jeweils fest im Motorblock gelagert ist,
und bei denen ein gegenüber dem
großen
Pleuelauge oder gegenüber
dem Hubzapfen drehbarer Exzenterring vorgesehen ist, der durch die
einwirkenden Pleuelkräfte
verdreht und in der gewünschten
Endlage arretiert wird. Dieses Arretieren geschieht durch axial
oder radial einwirkende Verriegelungselemente, durch die der Exzenter
am Pleuel oder am Hubzapfen arretiert wird. Eine Verminderung des
Verdichtungsverhältnisses
erfolgte dann in der Weise, daß die
Arretierung bei einer Abwärtsbewegung
mit Druckbeaufschlagung des Kolbens gelöst wird, so daß sich unter
dem Einfluß der Pleuelkräfte der
Exzenter relativ zur Kurbelwelle verdrehen kann. Die Verriegelung
muß jedoch
so ausgelegt sein, daß dieser
Stellvorgang spätestens
beim Erreichen der unteren Totpunktstellung der Kurbelwelle beendet
ist.
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Für
eine Erhöhung
des Verdichtungsverhältnisses
muß die
Arretierung gelöst
werden, wenn sich der Kolben vom unteren Totpunkt mit Druckbeaufschlagung
auf den oberen Totpunkt zu bewegt, wobei dann durch die Pleuelkräfte, insbesondere
die beim Expansionshub wirksamen Pleuelkräfte, der Exzenter relativ zum
Hubzapfen in Gegenrichtung zur Drehung der Kurbelwelle verdreht
wird. Auch hier muß der
Verstellvorgang beim Erreichen der oberen Totpunktstellung beendet
sein und die Verriegelung wieder greifen. Damit steht der Exzenterverdrehung
jeweils nur ein begrenztes Zeitfenster zur Verfügung, das mit zunehmender Drehzahl
abnimmt, so daß die Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
nicht bei allen Lasten und/oder Drehzahlen gleich gut funktioniert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Kolbenmaschine, insbesondere eine Kolbenbrennkraftmaschine zu schaffen,
die eine Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
im Betrieb ermöglicht
und die es erlaubt, die notwendigen konstruktiven Veränderungen
an einer existierenden konventionellen Motorkonstruktion auf ein
Minimum zu reduzieren, wobei die Hauptabmessungen der Kolbenbrennkraftmaschine
praktisch unverändert bleiben
sollen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Kolbenmaschine mit einem Stellmittel zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
im Betrieb, insbesondere eine Kolbenbrennkraftmaschine, bei der
jeweils auf dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle ein mit dem Kolben
verbundenes Pleuel gelagert ist, dessen Pleuellager auf einem Exzenterring gelagert
ist, der auf dem Kurbelzapfen relativ verdrehbar gelagert ist, und
die ein auf den Exzenterring zwischen Kurbelzapfen und Exzenterring
wirkendes, von außen
umsteuerbar betätigbares
Führungs-
und Verriegelungsmittel aufweist, das ein Verdrehen des Exzenterringes
relativ zum Kurbelzapfen ansteuerbar vorgebbar jeweils in nur einer
vorgebbaren Verdrehrichtung zuläßt. Damit
ist gewährleistet,
daß entsprechend
der Ansteuerung des Führungs-
und Verriegelungsmittels auch über
mehrere Kurbelumdrehungen nur die in der vorgegebenen Verdrehrichtung auf
den Exzenterring wirksamen Pleuelkräfte, beispielsweise die beim
Expansionshub wirksamen Pleuelkräfte
ein Verdrehen des Exzenterringes bewirken, während in der gleichen Ansteuerung
die Wirkung der Pleuelkräfte
während
des Kompressionshubes ohne Wirkung auf den Vorstellvorgang bleibt.
Damit kann der Verstellvorgang ohne Berücksichtigung eines "Zeitfensters" und damit unabhängig von
Last und/oder Drehzahl jeweils bis zur vorgegebenen Endstellung
durchgeführt
werden, so daß der
Verstellvorgang sich auch über
mehrere Kurbelwellenumdrehungen erstrecken kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, daß als
Führungs-
und Verriegelungsmittel im Kurbelzapfen eine axial ausgerichtete Bohrung
vorgesehen ist, die zumindest über
eine Teillänge
als Zylinder ausgebildet ist, in dem ein Kolbenkörper verschiebbar gelagert
ist, der an wenigstens einer Zylinderendseite einen Zylinderraum
begrenzt, der mit einem Druckfluid steuerbar aufschlagbar ist, und
daß der
Kolbenkörper
einen Kraftübertragungsbereich
aufweist, der über
Kupplungselemente mit dem Exzenterring in Verbindung steht. Als
Druckfluid kann beispielsweise das Schmieröl zur Schmierung der Kurbelwelle
eingesetzt werden. Durch eine gezielte Druckbeaufschlagung oder
Druckentlastung des Zylinderraums, beispielsweise durch Veränderung
des Schmieröldrucks,
ist es möglich,
die auf den Exzenterring wirkenden Pleuelkräfte jeweils nur in einer Richtung
zur Verdrehung des Exzenterringes zuzulassen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Zylinderraum ein Stellventil
zugeordnet ist, so daß durch
eine gesteuerte Änderung
des Fluiddrucks der Kolbenkörper
aus der einen in die andere Schaltstellung stellbar ist. Insbesondere,
wenn das Stellventil in das Stell- und Verriegelungsmittel integriert
ist, kann die konventionelle Schmiermittelführung in der Kurbelwelle durch
entsprechende Anzapfung auch zur Beaufschlagung des Stellventils
verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist die im Anspruch 4 angegebene Ausbildung des Stellventils
vorgesehen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß bei einem
ohnehin überwiegenden
Teillastbetrieb das Stellventil bei normalem Schmierdruck in seiner
einen Endstellung durch Federkraft gehalten wird und so der Exzenterring
auf dem Kurbelzapfen in einer Stellung arretiert bleibt, die ein
erhöhtes
Verdichtungsverhältnis
bewirkt. Soll ein Vollastbetrieb mit vermindertem Verdichtungsverhältnis ?
erfolgen, dann wird der Schmiermitteldruck entsprechend erhöht, so daß der Ventilkör per gegen die
Federkraft in die andere Endstellung verschoben, und solange dieser
erhöhte
Druck aufrecht erhalten wird, auch in dieser Stellung gehalten wird,
so daß der
Exzenterring in seiner anderen, ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis bewirkenden
Stellung arretiert bleibt. Der erhöhte Schmieröldruck bei Vollastbetrieb wirkt
hier eher vorteilhaft.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung
eines Stellmittels gemäß der Erfindung
ist im Anspruch 5 angegeben Die Schraubenfläche am Exzenterring ist zweckmäßigerweise
an einer, vorzugsweise an beiden Stirnflächen des Exzenterringes angeordnet.
Die entsprechenden Schrauben-Gegenflächen sind dann jeweils an den äußeren Enden
des Kurbelzapfens vorzugsweise an dem den Durchmesser des Kurbelzapfens überragenden
Teil der Kurbelwange angeordnet, wobei die Achse der Schraubenfläche mit der
Achse des Kurbelzapfens identisch ist. Damit kann der Exzenterring
wie eine Schraubenmutter durch Verdrehen auf dem Kurbelzapfen in
Achsrichtung des Kurbelzapfens hin und her bewegt werden. Das Führungs-
und Verriegelungselement ist so ausgebildet, daß je nach der Beaufschlagung
jeweils durch die Pleuelkräfte
eine Axialverschiebung und die gleichzeitige Verdrehung des Exzenterringes
gegenüber
dem Kurbelzapfen nur in einer Richtung möglich ist, so daß die Verstellung
sich auch über den
Zeitraum mehrerer Kurbelwellenumdrehungen erstrecken kann, bis der
Exzenterring die vorgesehene Endlage erreicht hat, in der dann die
Verriegelung wirksam wird.
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Eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung
eines Stellmittels gemäß der Erfindung
ist im Anspruch 6 angebeben. Diese Ausführungsform weist zwei radiale
Rastbolzen auf, die jeweils mit federnd abgestützten Stell- und Arretierungsschuhen
versehen sind, von denen jeweils einer mit dem Zahnring in Wirkverbindung
steht. Eine Verstellung des Exzenterringes ist dann jeweils nur
in einer Drehrichtung möglich. Der
Verstellvorgang kann sich über
mehrere Kurbelumdrehungen erstrecken.
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Die Erfindung und Ausgestaltungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Es zeigen:
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1 eine
Kurbel einer Kraftfahrzeugkurbelwelle mit Pleuel und integrierter
Exzenterverstellung;
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2 schematisch
den Verstellvorgang zur Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses;
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3 schematisch
den Verstellvorgang zur Erhöhung
des Verdichtungsverhältnisses;
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4 in
Sprengdarstellung eine erste Ausführungsform der Teile der Exzenterverstellung;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Kurbel für die erste Ausführungsform
ohne Pleuel und Exzenterverstellung;
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6 einen
Teilschnitt gemäß der Linie
VI-VI in 1 in größerem Maßstab (mit
Wälzlager
für das Pleuel);
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7 eine
vergrößerte Schnittdarstellung des
integrierten Führungs-
und Verriegelungsmittels der ersten Ausführungsform;
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8 eine
Abwandlung der Ausführungsform
gemäß 4 für ein Gleitlager für das Pleuel;
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9 im
Schnitt eine zweite Ausführungsform
der Exzenterverstellung;
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10 Teile
der Exzenterverstellung gemäß 9 in einer perspektivischen
Ansicht;
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11 und
schematisch die Funktionsweise der Exzenter-12 verstellung
gemäß 9.
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In 1 ist
in einer Stirnansicht eine Kurbel 1 einer Kurbelwelle dargestellt,
mit Kurbelwellenlagerzapfen 2, Gegengewicht 3,
Kurbelwange 4 und Kurbelzapfen 5, dargestellt.
Das Pleuel 6 ist über
ein Pleuellager 7, hier ein Wälzlager in Form eines Nadellagers,
auf einem Exzenterring 8 gelagert, der seinerseits auf
dem Kurbelzapfen 5 frei drehbar gelagert ist.
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Gegenüber der Achse 5.1 des
Kurbelzapfens 5 ist die Achse 7.1 der Lagerfläche für das Wälzlager 7 um
die Exzentrizität
e versetzt angeordnet. Der Exzenterring 8 ist frei drehbar
auf dem Kurbelzapfen 5 gelagert, so daß in dem hier in Betracht kommenden
Verstellbereich die Achse 7.1 der Lagerfläche 7 sich
auf der Kreisbahn 7.2 hin und her bewegen kann.
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Anhand der schematischen Darstellungen
in 2 und 3 wird der Verstellvorgang näher erläutert. Es
wird hierbei angenommen, daß das
größtmögliche Verdichtungsverhältnis dann
gegeben ist, wenn die Achse 5.1 des Kurbelzapfens und die
Achse 7.1 des Exzenterringes in Richtung des Kurbelarmes
A gestreckt sind, wobei die Exzentrizität e den Kurbelarm r0 maximal um e verlängert, wie dies durch die strichpunktierte
Linie A1 dargestellt ist.
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Wie aus 2 ferner abzuleiten ist, wirkt bei einer
angenommenen Drehrichtung der Kurbelwelle 2 in Richtung
des Pfeils 34 jeweils beim Expansionshub auf den Exzenterring
ein Drehmoment entsprechend seiner Exzentrizität e gegenüber der Kurbelzapfenachse 5.1.
Solange über
das Führungs- und
Verriegelungsmittel eine Verdrehung des Exzenterringes in Drehrichtung
gesperrt ist, kann der Betrieb mit dem erhöhten Verdichtungsverhältnis durchgeführt werden.
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Soll nun das Verdichtungsverhältnis reduziert
werden, dann wird, wie nachstehend noch beschrieben, der auf das
Stell- und Verriegelungsmittel wirkende
Schmiermitteldruck entsprechend verändert und das Stell- und Verriegelungsmittel
gelöst
Damit kann das auf den Exzenterring 8 wirkende Drehmoment
wirksam werden und sich der Exzenterring 8 relativ zum
Hubzapfen 5 in die voll ausgezogene Stellung unter Verkürzung auf
den wirksamen Kurbelradius r verdrehen.
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Sobald jedoch zum Ende des Expansionshubs
die Kurbelwelle den unteren Totpunkt durchlaufen hat, wie in 3 dargestellt, wirken zum
einen die Massenkräfte
des Kolbens und des Pleuels und im anschließenden Kompressionshub die
Gaskräfte in
Gegenrichtung auf den Exzenterring 8 ein, so daß ein entsprechendes
gegenläufiges
Drehmoment am Exzenterring 8 wirksam wird. Da jedoch, wie
vorstehend beschrieben, eine Rückdrehung
des Exzenterringes 8 über
das Führungs-
und Arretierungsmittel gesperrt ist, kommt es nicht zu einer erneuten
Vergrößerung des
Verdichtungsverhältnisses
sondern es bleibt die Verminderung des Verdichtungsverhältnisses
entsprechend der Druckansteuerung aufrecht erhalten. Hieraus ist
auch ersichtlich, daß sich
der Verstellvorgang über
mehrere Kurbelumdrehungen erstrecken kann, da jeweils nur die in
Verstellrichtung auf den Exzenterring 8 wirkenden Drehmomente eine
Verdrehung bewirken, während
ein Drehmoment in Gegenrichtung gesperrt bleibt.
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Bei einer entsprechenden Ansteuerung
kann die Verminderung des Verdichtungsverhältnisses auch wieder rückgängig gemacht
werden, da dann jeweils das auf den Exzenterring 8 wirksame
Drehmoment beim Ausschubtakt, insbesondere aber beim Kompressionstakt
in der Gegenrichtung entsprechend 3 wirksam
wird.
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Das vorstehend beschriebene System
kann an Mehrzylinder-Motoren
beliebiger Bauart eingesetzt werden, wobei lediglich in Kauf zu
nehmen ist, daß eine
Verstellung des Kompressionsverhältnisses sich
dann entsprechend der Zündfolge über mehrere Kurbelwellenumdrehungen
erstreckt.
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Der Exzenterring 8 ist Teil
eines Stellmittels mit Führungsund
Verriegelungsmitteln, das in den Kurbelzapfen 5 integriert
ist. Die einzelnen Bauteile des Führungs- und Verriegelungsmittels
sind für
eine Ausführungsform
in 4 in einer perspektivischen Zeichnung
dargestellt.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Exzenterring 8 zweiteilig
ausgebildet und weist zwei Teilringe 8.1 und 8.2 auf,
die über Schrauben 9 zu
einem geschlossenen Ring verbindbar sind, so daß diese Anordnung auch an einer
einstückigen
Kurbelwelle montierbar ist.
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Dem Exzenterring 8 ist ein
Kolbenkörper 10 zugeordnet,
dessen beide Enden 10.1 und 10.2 als Kolben ausgebildet
sind. Der Bereich zwischen den beiden Kolben 10.1 und 10.2 bildet
einen Kupplungsbereich 11 mit einem geringeren Durchmesser
als die Kolben 10.1 und 10.2, der über eine
sich konisch erweiternde Übertragungsfläche 12 jeweils
endseitig an die Kolben 10.1 und 10.2 angeschlossen
ist.
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Wie aus 4 und 6 entnommen
werden kann, sind paarweise stiftförmige Kupplungselemente 13 vorgesehen,
die einenends an den Übertragungsflächen 12 und
anderenends an einer konischen Gegenfläche 14 am Exzenterring
anliegen. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind drei Paare
dieser stiftförmigen
Kupplungselemente 13 vorgesehen.
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Stirnseitig ist der Exzenterring 8 an
beiden Seiten mit zwei Schraubenflächen 15.1 und 15.2 versehen,
denen an der Innenseite der beiden Kurbelwangen 4 im Bereich
des Kurbelzapfens 5 entsprechende Schrauben-Gegenflächen 16 zugeordnet sind
(5). Die Anordnung ist
hierbei so getroffen, daß die
Schraubenflächen 15 des
Exzenterringes 8 an den Schraubenflächen 16 der Kurbelwangen 4 in der
weise anliegen, daß bei
einer Verdrehung des Exzenterringes 8 auf dem Kurbelzapfen 5 der
Exzenterring sich in Richtung der Kurbelzapfenachse 5.1 je nach
Drehrichtung zur Anlage an der einen oder anderen Kurbelwange verschieben
kann. Hierbei bewegt sich die Achse
7.1 der Außenfläche des
Exzenterringes 8 auf der Kreisbahn 7.2, wie in 1 dargestellt.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Steigung der Schraubenfläche 15 und
der zugeordneten Schrauben-Gegenfläche 16 so
bemessen, daß eine
Verdrehung des Exzenterringes 8 gegenüber dem Hubzapfen 5 um
180° möglich ist,
so daß die
maximale Exzentrizität
bei der in 1 dargestellten
Kurbelstellung entweder in Richtung auf den Brennraum B zur Erhöhung des
Verdichtungsverhältnisses σoder aber
in Gegenrichtung zur Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses ⎕möglich ist.
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6 zeigt
in einer vergrößerten Schnittdarstellung
ein erstes Ausführungsbeispiel
für das
Führungs-
und Verriegelungsmittel. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Kurbelzapfen 5 eine
als Zylinder ausgebildete axiale Bohrung 17 auf, in der
der Kolbenkörper 10 axial
verschiebbar geführt
ist. Die Kolben 10.1 bzw. 10.2 begrenzen hierbei
entsprechende Zylinderräume 18.1 bzw. 18.2.
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Daraus ergibt sich, daß bei einer
Verdrehung des Exzenterringes 8 unter gleichzeitiger axialer
Bewegung in Richtung des Pfeils 20 die stiftförmigen Kupplungselemente 13,
auf die der Exzenterring 8 mit seiner Konusfläche 14 aufläuft, nach
unten gedrückt
werden und den Kolbenkörper 10 gegen
die entsprechende Konusfläche 12 des
Kolbenkörpers 10 drücken und
diesen ebenfalls in Richtung des Pfeils 20 zu verschieben
sucht.
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Diese Bewegungsabläufe sind
jedoch nur so lange möglich,
wie aus dem Zylinderraum 18.2 das Druckfluid ablaufen kann,
bis hin zur Anlage des Kolbens 10.2 am Zylinderboden. Wird
durch eine entsprechende Ansteuerung der Ablauf des Druckfluids vorher
gestoppt, dann gelingt es, den Kolben 10.2 auch mit Abstand
zum Zylinderboden zu halten, so daß die weitere Verdrehung des
Exzenterringes 8 in der angegebenen Bewegungsrichtung verhindert wird.
Da gleichzeitig auch der Zylinderraum 18.1 mit Druckfluid
gefüllt
und ein Ablauf gehindert ist, kann der Exzenterring 8 auch
in einer Zwischenstellung angehalten werden.
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Die Zylinderräume 18.1 und 18.2 sind
steuerbar mit einem Druckfluid beaufschlagbar, so daß die vorbeschriebene
Axialbewegung des Kolbenkörpers 10 bei
Verdrehung des Exzenterringes 8 nur dann möglich ist,
wenn das Druckfluid aus dem Zylinderraum 18.2 abströmen kann
und in den Zylinderraum 18.1 entsprechend Druckfluid nachgeführt wird,
und zwar in der Weise, daß nur
ein Zufluß möglich ist,
ein Abfluß jedoch
verhindert wird. Hierdurch wird bewirkt, daß die vorbeschriebene Axialbewegung
durch Verdrehung des Exzenterringes relativ zum Kurbelzapfen jeweils
nur in einer Richtung möglich
ist, d.h. eine Axialbewegung bei einer Verdrehung des Kurbelzapfens
in die Gegenrichtung über
den Kolbenkörper und
die Kupplungselemente gesperrt wird, da durch die Druckfluidfüllung im
Zylinderraum 18.1 die Bewegung des Kolbenkörpers in
die Gegenrichtung zum Pfeil 20 nicht möglich ist.
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Soll die Axialbewegung in die andere
Richtung erfolgen, dann wird für
den Zylinderraum 18.1 der Druckreduziert, so daß das Druckfluid
abfließen kann,
und andererseits der Zylinderraum 18.2 mit Druckfluid beaufschlagt,
so daß eine
Rückbewegung gesperrt
ist.
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Während
es grundsätzlich
möglich
ist, die Druckfluidversorgung über
einen gesonderten Fluidkreislauf zu bewirken, ist bei dieser Anordnung
vorgesehen, als Druckfluid das Schmiermittel der Motorschmierung
zu verwenden.
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Wie in 5 dargestellt,
wird über
eine in der Kurbelwelle verlaufende Druckleitung 21, wie
aus 6 zu erkennen, Drucköl zugeführt.
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Bei dem hier dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiel
ist die Anordnung so getroffen, daß im Kolbenkörper 10 ein
Stellventil 22 angeordnet ist, das einen Ventilkörper 23 und
eine Rückstellfeder 24 aufweist.
Die Rückstellfeder 24 ist
hierbei so ausgelegt, daß sie
bei normalem Schmieröldruck
den Ventilkörper 23 in
der in 7 in vergrößerter Darstellung
ersichtlichen Endstellung hält.
Nur bei erhöhtem
Schmieröldruck
kann der Ventilkörper 23 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 24 in
Richtung des Pfeils 20 verschoben werden.
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Der konstruktive Aufbau dieser Anordnung wird
anhand der vergrößerten Darstellung
in 7 näher beschrieben.
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Wie aus 7 ersichtlich, weist der Kolben 10.1 einen
Ringraum 25 auf, von dem im Kolbenkörper 10 eine hier
nur angedeutete Zweigleitung 26 in einen dem Ventilkörper 23 zugeordneten
Zylinderraum 27 einmündet.
Eine weitere Zweigleitung 28 mündet in einen Längskanal 29 ein,
der die beiden Zylinderräume 18.1 und 18.2 miteinander
verbindet. Diese Verbindungsleitung ist jeweils durch die nur mit ihrem
Ventilkörper 30.1 und 30.2 dargestellten
Rückschlagventile
abschließbar.
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Die Zylinderräume 18.1 und 18.2 stehen
jeweils mit Abströmleitungen 31.1 und 31.2 in
Verbindung, die im Kolbenkörper 10 geführt sind.
Der Ventilkörper 23 weist
eine ringförmige
Steuernut 32 auf, die in der hier dargestellten Endstellung
des Ventilkörpers 23 die
Ausmündung
der Abströmleitung 31.1 freigibt,
während
die Abströmleitung 31.2 verschlossen
ist. Diesem Ringraum 32 ist ferner eine Ablaufleitung 33 zugeordnet,
die in den vom Kolbenkörper 10 begrenzten
Freiraum 17 mündet,
der über
eine hier nicht näher
dargestellte Bohrung in der Kurbelwelle in den Kurbelraum mündet.
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Das Stellventil 22 weist
einen dem Ventilkörper 23 zugeordneten
Freiraum 27.1 auf, der über eine
Abströmleitung 26.1 im
Kolbenkörper 10 mit dem
drucklosen Freiraum 17 in Verbindung steht, so daß bei der
Druckbeaufschlagung des Ventilkörpers 23 sich
hierin ansammelndes Druckfluid frei abströmen kann.
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In 7 ist
der Kolbenkörper 10 der
besseren Übersicht
halber in einer Mittelstellung dargestellt. Steht über die
Zu fuhrleitung 21 nur der normale Schmieröldruck an,
dann liegt der Kolbenkörper 10 mit
seinem Kolben 10.1 am Boden des Zylinderraums 18.1 an,
da über
die Ablaufleitung 31.1 die Druckfluidfüllung des Zylinderraums 18.1 in
den drucklosen Freiraum 17 abströmen kann. Über den Axialkanal 29 kann
gleichzeitig unter Öffnung
des Rückschlagventils 30.2 Druckfluid
in den Zylinderraum 18.2 einströmen. Der Ablauf aus diesem
Zylinderraum über
die Ablaufleitung 31.2 ist jedoch durch den Ventilkörper 23 gesperrt,
so daß bei
einer Kraftwirkung in Richtung des Pfeils P2 auf
den Kupplungsstift 13, die zu einer Umsetzung der Krafteinwirkung auf
den Kolbenkörper 10 über die
Konusflächen 12 in Richtung
des Pfeils 20 führt,
durch die Druckfluidfüllung
im Zylinderraum 18.2 eine Verschiebung des Kolbenkörpers 10 unmöglich ist.
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Wird jedoch der Schmieröldruck des
Systems erhöht,
dann kann über
die Zweigleitung 26 der Zylinderraum 27 mit Druckfluid
beaufschlagt werden, so daß der
Ventilkörper 23 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 24 nach
rechts verschoben wird. Dadurch wird die Einmündung des Ablaufkanals 31.1 verschlossen
und gleichzeitig die Einmündung
des Ablaufkanals 31.2 über
den Ringraum 32 und den Ablauf 33 geöffnet, so
daß das
Druckfluid aus dem Zylinderraum 18.2 abströmen kann
und über
die Kraftwirkung in Richtung des Pfeils P2 der
Kolbenkörper 10 in
Richtung des Pfeils 20 verschoben wird, während sich
der Zylinderraum 18.1 mit Druckfluid füllt. In gleichem Maße kann
sich der die Kraftwirkung P2 erzeugende
Exzenterring 8 in der durch den Pfeil 20 vorgegebenen
Richtung unter Verdrehung axial verschieben, wie vorstehend beschrieben.
Eine Rückbewegung
ist jedoch nicht möglich,
da der Abfluß des Druckfluids
aus dem Zylinderraum 18.1 gesperrt ist.
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Das vorstehend beschriebene System
ist auch einsetzbar für
Pleuellager mit Gleitlagern. Wie 8 zeigt,
ist es hierbei lediglich erforderlich, die Druckölversorgung für das Stellventil 22 über eine entsprechende
Verbindungsleitung 34 anzuzapfen, die über eine umlaufende Ringnut 35 auf
der Innenseite des Exzenterringes 8 und eine Durchgangsbohrung 36 im
Ex zenterring 8 mit dem Gleitlager 37 des Pleuels 6 in
Verbindung steht.
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Anhand der 9 bis 12 wird
nachstehend eine andere Ausführungsform
für ein
Führungs-
und Verriegelungsmittel zum Verdrehen des Exzenterringes beschrieben.
Der anhand von 1 beschriebene
Grundaufbau sowie die anhand von 2 und 3 beschriebene Wirkungsweise
gilt für
dieses Ausführungsbeispiel
entsprechend. Auch bei dieser Ausführungsform ist auf einem Kurbelzapfen 5 ein
Exzenterring 8 frei drehbar, aber nicht axial verschiebbar
gelagert. Auf dem Exzenterring 8 ist in üblicher
Weise das Pleuel 6 gelagert.
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Das Stell- und Verriegelungsmittel
wird im wesentlichen durch einen Kolbenkörper 40 gebildet, der
koaxial im Hubzapfen 5 verschiebbar gelagert ist und der
sich auf einer Rückstellfeder 41 abstützt. Der Kolbenkörper 40 ist
mit zwei gegenläufig
und axial ausgerichteten Schrägflächen 42.1 und 42.2 versehen,
auf denen sich jeweils, wie aus der perspektivischen Zeichnung gem. 10 ersichtlich, als Kupplungselement
jeweils ein Rastbolzen 43.1 und 43.2 abstützt. Die
beiden Rastbolzen 43 sind jeweils an ihren Enden mit abgeschrägten Stirnflächen 44.1 und 44.2 versehen,
die den Schrägflächen 42.1 und 42.2 entsprechen
und mit diesen in Verbindung stehen. Am anderen Ende der Rastbolzen 43 ist
jeweils ein in Richtung der Rastbolzenachse relativ verschiebbarer zahnartiger
Arretierungsschuh 45.1 und 45.2 angeordnet, der
sich über
ein Andruckfedersystem 46 am Rastbolzen abstützt.
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Das Andruckfedersystem besteht hierbei
aus einer außenliegenden
Rückholfeder 46.1 und
einer koaxial dazu angeordneten Druckfeder 46.2. Die Rastbolzen 43 sind
mit dem Andruckfedersystem 46 und dem Arretierungsschuh 45 jeweils
in einer radial im Hubzapfen angeordneten Bohrung 47.1 und 47.2 (11) geführt.
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Die Rückholfeder 46.1 stützt sich
hierbei jeweils, wie in 11 dargestellt,
auf einem kurbelwellenfesten Stützring
48.1 und 48.2 ab,
so daß die Rastbolzen 43 jeweils
gegen die zugehörigen Schrägflächen 42 (9) angedrückt werden.
Die beiden Rastbolzen 43 sind im wesentlichen diametral zur
Hubzapfenachse angeordnet. Um den Fliehkrafteinfluß auf die
Rastbolzen zu eliminieren, werden die Rastbolzen bei dieser Ausführungsform
unter einem Winkel zueinander angeordnet, so daß die am Rastbolzenschwerpunkt
angreifende, durch die Drehachse M der Kurbelwelle verlaufende Fliehkraft
F senkrecht zur Rastbolzenachse steht. Dies ist in 12 angedeutet.
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Mit dem Exzenterring 8,
dessen Lagerfläche für das Pleuel
entsprechend exzentrisch zur Hubzapfenachse verläuft, ist ein konzentrisch zur
Hubzapfenachse ausgerichteter Zahnring 49 verbunden. Der Zahnring 49 ist
in der in 10 und 11 angegebenen ersichtlichen
Weise mit zwei Zahnbereichen 50.1 und 50.2 versehen.
Die Zahnbereiche 50 weisen jeweils sägezahnartig ausgebildete Zähne auf,
wobei die Zähne
des Zahnbereichs 50.1 gegenläufig zu den Zähnen des
Zahnbereichs 50.2 ausgerichtet sind. Der jeweils den beiden
Zahnbereichen 50 zugeordnete Stell- und Arretierungsschuh 45 ist
an seiner Stirnfläche,
wie aus der Zeichnung ersichtlich, mit einer entsprechenden Schrägfläche der
Zahnform angepaßt.
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Wie aus 9 ersichtlich, ist der Kolbenkörper 40 an
seinem der Rückstellfeder 41 abgekehrten Ende
mit einem Kolben 51 versehen, dem in der Kurbelwange eine
entsprechende, als Zylinder 52 ausgebildete Ausnehmung
zugeordnet ist, die auf der Außenseite
mit einem Verschlußdeckel 53 versehen ist,
so daß zwischen
Kolben 51 und Deckel 53 ein Druckraum 54 vorhanden
ist, der über
eine Zuleitung 55 mit einem Druckfluid beaufschlagt ist.
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Die Verschiebung des Kolbenkörpers erfolgt durch
Variation des Öldrucks.
Bei Anliegen eines niedrigen Öldrucks
wird der Kolbenkörper
an seinen rechten Anschlag gedrückt.
Die Federkraft ist größer als
die hydraulische Kraft. Bei Anlegen eines hohen Öldrucks wird der Kolbenkörper ganz
an seinen lin ken Anschlag gedrückt.
Die hydraulische Kraft ist größer als
die Federkraft.
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Die beiden Rastbolzen 43 liegen
mit ihren abgeschrägten
Stirnflächen 44 jeweils
an den zugeordneten Schrägflächen 42 am
Kolbenkörper 40 an. Die
Anordnung ist hierbei so getroffen, daß bei Anliegen eines hohen Öldrucks
der Kolbenkörper
an seinen linken Anschlag gedrückt
wird und dadurch der Rastbolzen 43.1 aktiviert wird und
somit die in 12 gezeigte
Position angenommen werden kann. Der Rastbolzen 43.2 ist
in diesem Fall nicht aktiviert, so daß der Arretierungsschuh 45.2 nicht
in Eingriff geraten kann.
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Bei Anliegen eines niedrigen Öldrucks
wird der Kolbenkörper
an seinen rechten Anschlag gedrückt
und der Rastbolzen 43.2 aktiviert, so daß die in 11 gezeigte Position angenommen
werden kann.
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Um nun die Verdrehung des Exzenterringes 8 auf
einen vorgegebenen Winkelbereich zu beschränken, ist an der Kurbel eine
radial ausgerichtete Anschlagnase 56 angeordnet, der in
Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnete Anschlagflächen 57.1 und 57.2 zugeordnet
sind, die einen Freiraum 58 begrenzen, der den beiden Zahnbereichen 50.1 und 50.2 gegenüberliegt.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform
ist die Anschlagnase 56 – bezogen auf die Drehachse
der Kurbelwelle – in
radialer Richtung zur Kurbel nach außen weisend gleichgerichtet.
Wird nun bei der in 11 wiedergegebenen
Stellung durch Druckbeaufschlagung des Druckraumes 54 der
Kolbenkörper 40 in
axialer Richtung gegen die Kraft der Rückstellfeder 41 verschoben,
dann wird der Rastbolzen 43.1 mit der Verzahnung des Zahnbereichs 50.1 in
Eingriff gebracht und der Rastbolzen 43.2 außer Eingriff
gebracht.
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Da der Arretierungsschuh 45.1 über die
zugehörige
Feder 46.2 abgestützt
ist, kann sich der Zahnring 49 nach Art einer Ratsche in
Richtung des Pfeiles 59 gegenüber dem Hubzapfen verdrehen,
bis die Anschlagfläche 57.1 an
der Anschlagnase 56 zur Anlage kommt, wie dies in 12 für die entsprechende Endstellung
dargestellt ist. Die Stellkraft zur Verdrehung des mit dem Exzenterring 8 fest
verbundenen Zahnrings erfolgt auf der anhand von 3 beschriebenen Krafteinwirkung während des
Auschubhubes und des Kompressionshubes, wobei sich die Verdrehung
des Exzenterringes über
mehrere Arbeitsspiele erstrecken kann. Durch die sägezahnartige
Ausgestaltung der Verzahnung des Zahnbereichs ist sichergestellt,
daß bei
dem vorstehend beschriebenen Stellvorgang nur während des Ausschub- und Kompressionshubes
eine Verdrehung des Exzenterringes erfolgt, während beim anschließenden Expansionshub
ein Verdrehen über
den Arretierungsschuh 45.1 gesperrt wird.
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Soll die Verstellung des Exzenterringes,
wie in 3 beschrieben,
entsprechend 2 rückgängig gemacht
werden, dann wird der Federdruck im Druckraum 54 vermindert,
so daß über die
Kraft der Rückstellfeder 41 der
Arretierungsschuh 45.1 in der in 12 wiedergegebenen Position des Exzenterringes
außer
Eingriff gebracht und der Arretierungsschuh 45.2 in Eingriff
gebracht, so daß der
Exzenterring in die in 11 dargestellte
Endstellung zurückgedreht
wird.
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Da auch bei niedrigem Fluiddruck
der Druckraum 54 mit Druckfluid gefüllt ist, wirken auf das Druckfluid
Fliehkräfte
ein, so daß sich
der Öldruck
im Druckraum 54 bei Drehzahlzunahme von selbst erhöht. Dies
würde zu
einem ungewollten selbsttätigen Verschieben
des Kolbenkörpers 40 ab
einer bestimmten Drehzahl führen.
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Um diesen Einfluß zu kompensieren, ist, wie 9 zeigt, in der dem Zahnring 49 abgekehrten Kurbelwange
ein beispielsweise stabförmig
ausgebildetes Fliehkraftgewicht 60 radial verschiebbar
gelagert. Das Fliehkraftgewicht 60 weist eine Ausnehmung 61 auf,
die mit einer unter 45° ausgerichteten Schrägfläche 62 versehen
ist. Der Kolbenkörper 40 weist
an seiner dem Fliehkraftgewicht 60 zugekehrten Stirnfläche eine
entsprechende Schrägfläche auf, die
an der Schrägfläche 62 anliegt.
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Die Masse des Fliehkraftgewichtes 60 ist
nun so bemessen, daß die
fliehkraftbedingte Druckzunahme durch die Fliehkraft der Masse 60 kompensiert
wird. Durch die Schräge
von 45° wird
die radial gerichtete Fliehkraft der Masse 60 auf die Achsrichtung
des Kolbenkörpers
umgeleitet.
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Die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
wurde vorstehend am Beispiel einer Kolbenbrennkraftmaschine erläutert. Dieses
System ist aber beispielsweise auch für Kolbenkompressoren anwendbar,
wenn eine Änderung
der Druckhöhe
gewünscht
ist.