DE19757871A1

DE19757871A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19757871A1
Application number: DE1997157871
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Reitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 umfassende Hubkolbenmaschine, insbesondere aber auf eine Brennkraftmaschine.

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft einen Zylinderblock und einen Kurbeltrieb einer Hubkolbenmaschine. Der Kurbeltrieb ist dabei mit einer Verstellvor richtung zur Veränderung der Kolbenhubfunktion ausgestattet.

STAND DER TECHNIK

Aus der DE-A1 41 34 630 ist eine derartige, gattungsgemäße Hubkol benmaschine bekannt. Zur Verstellung der Kolbenhubfunktion befindet sich auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle eine drehbare Exzenter scheibe. Eine zentral in der Kurbelwelle liegende Verstellspindel steuert über ein Getriebe die Drehwinkellage der Exzenterscheibe. Nachteilig wirkt sich die zentrale Anordnung der Verstellspindel in der Kurbelwelle dadurch aus, daß bei üblichen Hubzapfenexzentrizitäten der Hubzapfendurchmesser wesentlich größer als sonst erforderlich ausgeführt werden muß, um den Bauraum für die Verstellspindel frei zuhalten. Durch den vergrößerten Hubzapfendurchmesser entsteht wesentlich mehr Reibung und bewegte Masse im Kurbeltrieb.

Aus der DE-A1 43 16 719 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt, bei der ebenfalls auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle eine Exzenterschei be gelagert ist. Die Drehbewegung der Exzenterscheibe wird durch hydraulisch betätigte, in den Wangen der Kurbelwelle geführte Kolben gesteuert. Die hydraulische Ansteuerung durch die Kurbelwelle ist sehr aufwendig, reagiert träge und in Abhängigkeit von der Ölviskosi tät unterschiedlich und die Stellkräfte sind wegen des geringen Öl druckes des Schmierkreislaufes nur niedrig. Auch ist nicht kontrollier bar, ob die Verstellung tatsächlich stattgefunden hat. Entsprechend des Verdichtungsverhältnisses werden durch das Steuergerät einer Brennkraftmaschine unterschiedliche Parameter vorgegeben, so daß zB. mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Hat jedoch die Verstellung auf niedrige Verdichtung nicht stattgefunden, so kann bei Ottomotoren leicht die Klopfgrenze überschritten werden, wodurch schwere Motor schäden verursacht werden.

Bei den genannten Systemen wird das Zylinderhubvolumen und da durch auch das Verdichtungsverhältnis verändert. Bei geringer Ver dichtung ist durch diesen Zusammenhang das genutzte Hubvolumen reduziert, wodurch bei Brennkraftmaschinen in diesem Fall das maxi male Drehmoment niedriger als bei konstantem Hubvolumen ausfällt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine anzugeben, die schnell, zuverlässig und mit geringem Bauaufwand die Verstellung des Ver dichtungsverhältnisses ermöglicht bzw. den Zustand der Verstellung erfaßt.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß am Zylinderblock in der Umgebung des Kolbens bzw. des Pleuels eine vom Kurbeltrieb nicht bewegte elektrische Spule angebracht ist und zumindest zyklisch entsprechend der Bewegung des Kurbeltriebs eine Kraftwirkung zwischen der Spule und zumindest einem mit dem Kurbeltrieb beweg ten oszillierendem Bauteil herstellbar ist. Die Kraftwirkung kann hier bei entweder unmittelbar über ein elektromagnetisches Feld erfolgen oder mittelbar durch mechanischen Kontakt, wobei durch die Kraft wirkung der Spule ein Kraftübertragungsglied in das Innere oder im Inneren des Zylinderrohres bzw. dessen zur Kurbelwelle hin gedachter Verlängerung so verlagert wird, daß es mit dem durch den Kurbeltrieb bewegten Bauteil zyklisch in Kontakt kommt.

Durch die unmittelbare Kraftwirkung durch ein magnetisches Feld kann die Spule elektrische Impulse beim Vorbeieilen magnetischer bzw. ferromagnetischer Bauteile, zB. der Kolbenringe erzeugen. Eine geeig nete Auswerteelektronik kann durch den Vergleich dieser Signale mit Drehwinkelsignalen der Kurbelwelle den Verstellzustand der zur Ver änderung der Kolbenhubfunktion dienenden Vorrichtung feststellen.

Sowohl durch die unmittelbare wie durch die mittelbare Kraftwirkung kann ein durch den Kurbeltrieb bewegtes oszillierendes Steuerelement der zur Veränderung der Kolbenhubfunktion dienenden Vorrichtung beeinflußt werden. So kann im Schaft des Kolbens ein längsverschieb lich gelagerter Stößel senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens bewegt werden, so daß er in den Bewegungsbereich eines am Pleuel schaft gelagerten Hebels gelangt. Angetrieben durch die Pleuelbewe gung kann mittels dieses Hebels aus einer Rastbohrung ein Arretier bolzen gezogen werden, der eine zwischen kleinem Pleuelauge und Kolbenbolzen befindliche Exzenterscheibe gegen Verdrehen sichert. Durch die Massenkräfte im Kurbeltrieb nimmt die Exzenterscheibe nun eine andere Lage ein, wodurch das Verdichtungsverhältnis verändert wird.

Die mittelbare Kraftwirkung kann vorteilhafterweise durch die Ver wendung der Spule als Bestandteil eines elektrischen Zugmagneten erfolgen. Der Anker des Zugmagneten trägt eine Kulisse, die bei Be stromung der Spule in den Bewegungsbereich des Stößels bewegt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den in den An sprüchen ferner aufgeführten Merkmalen sowie den nachstehenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ausschnittweise einen Querschnitt durch den Zylinderblock einer Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungs beispiel

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Zylinderblock in der Ebene des Stößels

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den bestückten Kolben

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch den bestückten Kolben

Fig. 5-10 Seitenansichten des bestückten oberen Pleuelendes

Fig. 11 eine Seitenansicht des bestückten oberen Pleuelendes

Fig. 12 eine Seitenansicht der Exzenterscheibe in der Richtung der Nockenprojektion

Fig. 13 einen ausschnittweisen Querschnitt durch einen Zylinder block in einem zweiten Ausführungsbeispiel

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Von einer Brennkraftmaschine ist in Fig. 1 ein Zylinderblock 1 aus schnittweise dargestellt. Der durch ein Pleuel 40 bewegte Kolben 21 trägt in einem seitlich eingezogenen Bereich 22 seines Schaftes einen Stößel 25. In der Zylinderwand befestigt befindet sich ein elektrischer Zugmagnet, unter anderem bestehend aus der Spule 3, dem Anker 4 und der daran befestigten Kulisse 5. In der gezeigten Stellung ist der Zugmagnet bestromt und hat aus seiner Ruhestellung die Kulisse 5 in die Bewegungsbahn des Stößels 25 geführt.

Fig. 2 zeigt die gleiche Situation in einem Längsschnitt durch den Zylinderblock 1 in der Ebene des Stößels 25. Bewegt sich der Kolben 21 weiter nach unten, wird der Stößel 25 entsprechend der Form der Kulisse 5 in Richtung zum Kolbeninneren geschoben und gelangt dort in den Bereich der Kontaktfläche 53 des Hebels 52.

Die Vorrichtung zur Veränderung der Kolbenhubfunktion ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Zwiechen dem kleinen Pleuelauge und dem Kolbenbolzen 20 ist drehbar eine Exzenterscheibe 30 gelagert. Sie besitzt an ihrem Umfang zwei Aussparungen 33 und 34 zwecks Massereduzierung und Schmierölzufuhr zum Kolbenbolzen. An einem Teil des Umfanges ist ferner eine Nut 32 angeordnet. Sie dient zusam men mit der im kleinen Pleuelauge radial eingepressten Hülse 51 als Endanschlag in den beiden Extremstellungen der Exzenterscheibe 30 und zu deren axialer Sicherung. Die Hülse 51 führt im Inneren den Bolzen 50. Er rastet abwechselnd in eine der zwei Rastbohrungen 31 und arretiert so die Exzenterscheibe 30. Der Hebel 52 ist über einen Lagerbolzen 54 schwenkbar an dem Pleuel 40 befestigt. Er ist mittels der durch den Stift 55 geführten Feder 56 gegen den Anschlag 41 am kleinen Pleuelauge gespannt. Die Scheibe 57 dient dabei als Feder teller. Durch den in den Bereich der Kontaktfläche 53 bewegbaren Stößel 25 kann der Hebel 52 den Bolzen 50 aus der Rastbohrung 31 ziehen bzw. einrasten lassen.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen den Bewegungsablauf der zur Verände rung des Verdichtungsverhältnisses dienenden Bauteile, gesehen aus der Sicht eines mit dem Kolben bewegten Beobachters. Ausgehend von der Stellung der Exzenterscheibe 30 für niedriges Verdichtungs verhältnis wird in der Nähe des unteren Totpunktes des Kolbens der Stößel 25 in den Bewegungsbereich der Kontaktfläche 53 geschoben, siehe Fig. 5. Bei rechtsdrehender, nicht gezeigter Kurbelwelle schwenkt das Pleuel 40 wie in Fig. 6 gezeigt zunächst nach links. Während dieser Schwenkbewegung kommt der Stößel 25 mit der Kontaktfläche 53 des Hebels 52 in Berührung. Noch bevor das Pleuel 40 den maximalen Schwenkwinkel erreicht, zieht der Hebel 52 den Bolzen 50 aus der Rastbohrung 31 vollständig heraus. Dabei bleibt die Exzenterscheibe 30 wegen dem Endanschlag unbewegt. Bei maxi malem Schwenkwinkel des Pleuels 40 erfolgt eine Umkehr der Massenkräfte am Kolben 21. Dadurch wird die aufgrund ihrer Dimen sionierung nicht selbstgehemmte Exzenterscheibe 30 bis zu dem ent gegenliegenden Endanschlag gedreht. Bis zu der Kolbenstellung im oberen Totpunkt, siehe Fig. 7, ist die zum Pleuel 40 relative Drehung der Exzenterscheibe 30 abgeschlossen. Während der Drehung eilte der auf einer Stirnseite der Exzenterscheibe 30 befindliche Nocken 35 am Stößel 25 vorbei und schob ihn zurück in seine Ausgangsstellung.

Zur Verstellung auf niedriges Verdichtungsverhältnis wird wiederum in der Nähe des unteren Totpunktes des Kolbens 21 der Stößel 25 in den Bereich der Kontaktfläche 53 geschoben. Durch die im Vergleich mit Fig. 6 unterschiedliche Winkellage der Exzenterscheibe 30 bewirkt das Schwenken des Pleuels 40 nach links keine Bewegung des Hebels 52, siehe Fig. 8. Erst das in Fig. 9 gezeigte Schwenken des Pleuels 40 nach rechts bewirkt ein Lösen der Exzenterscheibe 30. Deren Drehung beginnt dann im Umkehrpunkt der Massenkräfte des Kolbens 21. Bis zum unteren Totpunkt des Kolbens 21 ist der Stößel 25 in seine Ausgangsstellung zurückgeschoben und die Exzenterscheibe 30 durch den Bolzen 50 in ihrer Stellung für niedriges Verdichtungs verhältnis arretiert, siehe Fig. 10.

Fig. 11 zeigt zur Veranschaulichung das bestückte obere Pleuelende aus einer anderen Perspektive. Die Exzenterscheibe 30 allein ist in Fig. 12 aus der Richtung der Projektion des Nockens 35 dargestellt.

Fig. 13 zeigt einen ausschnittweise Querschnitt durch einen Zylinder block 1.2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Spule 3.2 ist hier radial zur Zylinderlaufbahn 2.2 angeordnet und erzeugt elektrische Signale aufgrund der Bewegung der aus ferromagnetischem Material bestehenden Kolbenringe 24.2. Zylinderwand und Kolben 21.2 dürfen hierzu nicht aus ferromagnetischem Material bestehen. Entsprechend der Kolbenhubfunktion - hier ist eine Stellung für niedriges Verdich tungsverhältnis dargestellt - erfolgen die Signale zeitlich versetzt zu Drehwinkelsignalen der Kurbelwelle.

Claims

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, bei der eine Vorrichtung zur Veränderung der Kolbenhubfunktion vorhan den ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- am Zylinderblock (1) in der Umgebung des Kolbens (21) bzw. Pleuels (40) eine vom Kurbeltrieb nicht bewegte elektrische Spule (3) angebracht ist,
- zumindest zyklisch entsprechend der Bewegung des Kurbeltriebs eine Kraftwirkung zwischen der Spule (3) und zumindest einem durch den Kurbeltrieb bewegten oszillierenden Bauteil (24, 25) herstellbar ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Spule (3) mit ihrer Längsachse etwa radial zur Zylinderachse ausgerichtet ist,
- das bewegte, in Kraftwirkung mit der Spule (3) stehende Bauteil (24, 25) aus einem magnetischen bzw. ferromagnetischen Material besteht, wobei die Kraftwirkung unmittelbar durch ein magnetisch es Feld zwischen der Spule (3) und dem bewegten Bauteil (24, 25) besteht.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- das bewegte, in Kraftwirkung mit der Spule (3) stehende Bauteil zumindest einer der Kolbenringe (24) ist,
- eine Meßvorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbel welle vorhanden ist
- eine Auswerteelektronik vorhanden ist, die durch den zeitlichen Vergleich der Signale der Spule (3) mit Drehwinkelsignalen der Kurbelwelle den Verstellzustand der zur Veränderung der Kolben hubfunktion dienenden Vorrichtung feststellen kann.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- das bewegte und in Kraftwirkung mit der Spule (3) stehende Bauteil (25) ein Steuerelement der zur Veränderung der Kolben hubfunktion dienenden Vorrichtung ist.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Kraftwirkung zwischen der Spule (3) und dem durch den Kurbeltrieb bewegten oszillierenden Bauteil (25) mittelbar durch mechanischen Kontakt erfolgt, wobei
- - durch die Kraftwirkung der Spule (3) ein Kraftübertragungsglied in das Innere oder im Inneren des Zylinderrohres (2) bzw. dessen zur Kurbelwelle hin gedachter Verlängerung so verlagert wird, daß es mit dem durch den Kurbeltrieb bewegten Bauteil (25) zyklisch in Kontakt kommt.

6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- das durch die Kraftwirkung der Spule (3) bewegte Kraftüber tragungsglied eine Kulisse (5) besitzt,
- das durch den Kurbeltrieb bewegte oszillierende Bauteil ein im Schaft (22) des Kolbens (21) längsverschieblich gelagerter und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens (21) beweglicher Stößel (25) ist, dessen Bewegung durch den Kontakt mit der Kulisse (5) erzeugt wird.

7. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die zur Veränderung der Kolbenhubfunktion dienende Vorrich tung besteht aus
- - einer zwischen dem kleinen Pleuelauge und dem Kolbenbolzen (20) drehbar angeordneten Exzenterscheibe (30),
- - einem in zwei Stellungen der Exzenterscheibe (30) ein rastenden Bolzen (50),
- - einer den Bolzen (50) teilweise umgebenden am Pleuelauge angebrachten Hülse (51), die in eine an einem Teil des Umfanges der Exzenterscheibe (30) verlaufende Nut (32) eintaucht,
- - einem am Pleuelschaft gelagerten Hebel (52), der den Bolzen (50) aus den Rastbohrungen der Exzenterscheibe (30) heraus ziehen bzw. federbelastet einrasten läßt und eine Kontaktfläche (53) aufweist.

8. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Stößel (25) durch den Kontakt mit der Kulisse (5) in den Bewegungsbereich der Kontaktfläche (53) des Hebels (52) gelangt,
- die Exzenterscheibe (30) auf ihrer einen Stirnseite mit einem zum Stößel (25) weisenden Nocken (35) versehen ist.

9. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Exzenterscheibe (30) aus einem keramischen Werkstoff besteht.