DE19835146A1 - Pleuelstange - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange zur Übertra­ gung der Energie zwischen einem Kolben und einer Kur­ belwelle einer Hubkolbenmaschine nach der im Oberbe­ griff von Anspruch l näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Pleuelstange ist aus der DE 195 30 191 A1 bekannt. Diese Pleuelstange besteht aus zwei in Pleuelstangenlängsrichtung relativ zueinander ver­ schieblichen Pleuelteilen, die über einen Energiespei­ cher in Form einer Fluidfeder miteinander in Wirkver­ bindung stehen.

Eine derartige Fluidfeder ist im kalten Betriebs zu­ stand sehr steif, was das Startvermögen eines Verbren­ nungsmotors begünstigt, da erfahrungsgemäß die Start­ verdichtung über der optimalen Verdichtung liegen soll. Nimmt mit zunehmender Betriebstemperatur die Elastizität des in der Fluidfeder enthaltenen Fluids zu, so wird die Fluidfeder weicher. Durch die mögliche Einfederung der Pleuelstange ergibt sich eine geringe geometrische Verkürzung der Pleuelstangenlänge, die ausreicht, die Verdichtung lastabhängig so weit zu begünstigen, daß unabhängig vom Füllgrad eine optimale Flammfrontausbreitung und damit eine gleichmäßige Ver­ brennung erzielt wird.

Während des Arbeitstaktes nimmt die Fluidfeder die durch Druckspitzen der explosionsartigen Verbrennung des Kraftstoffes verursachte Energie sofort auf und gibt sie mit zeitlicher Verzögerung wieder an die Kur­ belwelle ab, sobald der Druck auf die Pleuelstange nachläßt. Die Kinematik des Kurbeltriebes wird dadurch optimal begünstigt, so daß die Lagerbelastungen von Pleuelstange und Kurbeltrieb auf ein Minimum reduziert werden. Aufgrund des hohen Gleichförmigkeitsgrades wird sowohl die Lebensdauer der Lagerungen und aller umlaufenden Bauteile wesentlich verlängert als auch die Voraussetzung für eine sich gleichmäßig ausbrei­ tende Flammfront geschaffen, so daß die Schadstoff­ emission weiter reduzierbar ist.

Die beschriebene Pleuelstange weist jedoch einen gra­ vierenden Nachteil auf. Durch minimale, aber unver­ meidliche Leckageverluste der Fluidfeder über viele Arbeitszyklen hinweg kommt es zu irreversiblen Längen­ änderungen der Pleuelstange, die im Motor Verbren­ nungsbedingungen zur Folge haben, die nicht mehr den geplanten Verbrennungsbedingungen entsprechen. Durch sehr hohe Drücke, die bei einer extrem eingefederten gattungsgemäßen Pleuelstange auftreten können, werden die Fluidleckagen zusätzlich begünstigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Pleuelstange mit Energiespeicher zu schaffen, bei der die auftretenden Längenänderungen in jedem Hub repro­ duzierbar sind und bei der der hydraulische Spitzen­ druck in der Fluidfeder begrenzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es in vorteil­ hafter Weise die minimalen, aber unvermeidlichen Leckageverluste der Fluidfeder durch ein System von fluidgefüllten Kammern auszugleichen.

Dazu wird der beim Einfedern der Pleuelstange auftre­ tende Leckageverlust größtenteils in zwei korrespon­ dierenden Versorgungskammern aufgefangen. Jede dieser Versorgungskammern und die Arbeitskammer der Fluidfe­ der weist auf einer Seite einen beweglichen Druckkol­ ben auf, wobei sich durch unterschiedliche Größen der wirksamen Flächen dieser Druckkolben die Volumina der Versorgungskammern und der Arbeitskammer verschieden schnell verändern. In der erfindungsgemäßen Lösung sind die Druckkolben alle miteinander verbunden, so daß diese bei der Relativbewegung der Pleuelteile ge­ geneinander alle das gleiche Wegstück in Pleuelstan­ genlängsrichtung zurücklegen. Dabei ist die hydrau­ lisch wirksame Druckkolbenfläche der Versorgungskam­ mern größer als die der Arbeitskammer ausgeführt, so daß sich das Volumen von wenigstens einer der Versor­ gungskammern beim Ausfedern schneller verkleinert als das der Arbeitskammer. Durch einen Nachfüllkanal mit Rückschlagventil wird dann der Leckageverlust zurück zur Arbeitskammer gefördert.

Die geringen geometrischen Längenänderungen der Pleu­ elstange werden so in jedem Hub reproduzierbar gleich, wodurch sich die Vorteile der fluidgefederten Pleuel­ stange in einem Verbrennungsmotor optimal nutzen las­ sen.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform kann zusätzlich ein mechanischer Anschlag vorgesehen sein, der als Druckbegrenzung in der Fluidfeder wirkt und damit übermäßige Leckageverluste von vornherein vermindert, so daß zusammen mit dem oben beschriebenen System der Leckagekompensation die erfindungsgemäße Pleuelstange für einen Verbrennungsmotors hervorragend einsetzbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemä­ ßen Pleuelstange mit Fluidfeder und Leckage­ kompensation während der Einfederns; und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Pleuelstange mit Fluidfeder und Leckagekompen­ sation während des Ausfederns.

Fig. 1 zeigt eine Pleuelstange 1, die aus zwei in Pleuelstangenlängsrichtung zueinander verschieblichen Teilen besteht, nämlich einem kolbenzapfenseitigen Pleuelteil 2 und einem kurbelzapfenseitigen Pleuelteil 3, die an ihren der Pleuelstange l abgewandten Enden jeweils ein Kolbenzapfenlager 4 bzw. ein Kurbelzapfen­ lager 5 aufweisen, welches jeweils den Kolben bzw. die Kurbelwelle pleuelt.

Das kurbelzapfenseitige Pleuelteil 3, im Nachfolgenden als unteres Pleuelteil 3 bezeichnet, steht mit dem kolbenzapfenseitigen Pleuelteil 2, im Nachfolgenden als oberes Pleuelteil 2 bezeichnet, durch ein System von fluidgefüllten Kammern und Kanälen in Wirkverbin­ dung. Dabei stellt eine aus dem unteren Pleuelteil 3 herausgearbeitete Arbeitskammer 6 die eigentliche Fluidfeder dar, die von einem, von einem Teil des obe­ ren Pleuelteiles 2 gebildeten Druckkolben 7 mit seiner Druckkolbenfläche 8 abgeschlossen wird. Zwei Versor­ gungskammern 9, 10 sind ebenfalls aus dem unteren Pleuelteil 3 herausgearbeitet und werden durch, gegen­ über diesem von beweglichen vom oberen Pleuelteil 2 gebildeten Druckkolbenflächen 11, 12 begrenzt.

Zwischen der Arbeitskammer 6 und der oberen Versor­ gungskammer 10 verläuft ein Nachfüllkanal 13, in dem ein Rückschlagventil 14 angeordnet ist, das eine Fluidströmung von der Arbeitskammer 6 in die obere Versorgungskammer 10 verhindert, die Fluidströmung in der Gegenrichtung jedoch zuläßt.

Die beiden Versorgungskammern 9, 10 verbindet ein Überströmkanal 15 mit einem Rückschlagventil 16, so daß eine ungehinderte Fluidströmung nur von der unte­ ren Versorgungskammer 9 zur oberen Versorgungskammer 10 stattfinden kann. In der entgegengesetzten Richtung kann eine Fluidströmung nur dann stattfinden, wenn ein ausreichend großer Druckunterschied zwischen den Ver­ sorgungskammern 9, 10 ein Überdruckventil 17 öffnet, das in einem weiteren die Versorgungskammern 9, 10 verbindenden Überströmkanal 19 angeordnet ist.

Die untere Versorgungskammer 9 steht über einen weite­ ren Kanal 19 mit einem Ölvolumen 20 der nicht darge­ stellten Kurbelwellenlagerung in Verbindung. Dabei befindet sich in dem Kanal 19 zur Kurbelwellenlagerung ein Rückschlagventil 21, das eine Fluidströmung von der unteren Versorgungskammer 9 in das Ölvolumen 20 der Kurbelwellenlagerung verhindert. Die entgegenge­ setzte Strömungsrichtung ist unter bestimmten später noch beschriebenen Bedingungen möglich.

Durch eine Dichtung 22 und einen engen Paßspalt 23 zwischen dem Druckkolben 7 und der Wandung der Ar­ beitskammer 6, ist diese gegenüber der unteren Versor­ gungskammer 9 abgedichtet. Die beiden Versorgungskam­ mern 9, 10 sind ebenfalls durch eine Dichtung 24 ge­ geneinander abgedichtet wie auch die obere Versor­ gungskammer 10 mit einer Dichtung 25 gegenüber der äußeren Umgebung der Pleuelstange 1 abgedichtet ist.

Zum in Fig. 1 dargestellten Zeitpunkt befindet sich die Pleuelstange 1 in der Einfederung, was bedeutet das Kolbenzapfenlager 4 und Kurbelzapfenlager 5 sich aufeinander zu bewegen, und nach einer weiteren kurzen Zeit würde die Relativbewegung des oberen Pleuelteiles 2 zum unteren Pleuelteil 3 durch den mechanischen Kon­ takt zwischen der unteren Begrenzungsfläche 26 und der Druckkolbenfläche 11 der unteren Versorgungskammer 9 beendet. Durch diesen Anschlag wird der Druck in der Arbeitskammer 6, also der Fluidfeder, mechanisch be­ grenzt.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können statt der unteren Begrenzungsfläche 26 und der Druck­ kolbenfläche 11 auch eigens dafür vorgesehene, gegebe­ nenfalls außerhalb der Kammern liegende, einstellbare Anschläge die Aufgabe der Druckbegrenzung übernehmen.

Trotz der Begrenzung des maximalen Fluiddrucks in der Arbeitskammer 6 durch den mechanischen Anschlag treten während des Einfederns minimale, aber unvermeidliche Fluidleckagen auf, die in Fig. 1 mit dem, den Weg der Leckagen beschreibenden, Pfeil 27 angedeutet sind.

Die während des Einfederns auftretenden Leckageverlu­ ste 27 gelangen zuerst in die untere Versorgungskammer 9 und durch den Überströmkanal 15 in die obere Versor­ gungskammer 10. Hier wird das Fluid aufgefangen und während des Ausfederns der Pleuelstange 1 über den Nachfüllkanal 13 der Arbeitskammer 6 wieder zugeführt.

Fig. 2 zeigt die Pleuelstange 1, mit den gleichen kon­ struktiven Elementen, während des Ausfederns, was be­ deutet das sich Kolbenzapfenlager 4 und Kurbelzapfen­ lager 5 voneinander weg bewegen, kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes. In dieser Phase wird das durch die Leckagen 27 aus der Arbeitskammer 6 der Fluidfeder verlorene Fluidvolumen wieder nachgefüllt.

Dazu wird das Prinzip der relativen Volumenänderung angewandt, da sich für den gleichen Hub, den alle Druckkolbenflächen 8, 11, 12 durchführen, das Volumen in Abhängigkeit vom Querschnitt der bewegten Fläche verändert. Konkret ist die bewegte Druckkolbenfläche 12 der oberen Versorgungskammer 10 größer als die Druckkolbenfläche 8 der Arbeitskammer 6. Beim Ausfe­ dern der Pleuelstange l verringert sich deshalb das Volumen der oberen Versorgungskammer 10 schneller als das der Arbeitskammer 6 und bewirkt so eine Druckdif­ ferenz zwischen diesen Kammern. Aufgrund dieser Druck­ differenz strömt das Fluid durch den Nachfüllkanal 13 und das in dieser Richtung durchlässige Rückschlagven­ til 14 in die Arbeitskammer 6, wie es durch die Pfeile 28 angedeutet wird. Sobald sich in der Arbeitskammer 6 der für die erforderliche Füllmenge charakteristische Druck eingestellt hat, öffnet sich das Überdruckventil 17 und erlaubt dem Fluid, durch den Überströmkanal 18 entlang des durch die Pfeile 29 verdeutlichten Weges in die untere Versorgungskammer 9 zu fließen.

Das beschriebene System von Kammern und Kanälen er­ laubt damit eine Leckagekompensation die sich kon­ struktiv in die Pleuelstange l integrieren läßt und die ohne zusätzliche Speicher, Aggregate oder Energie auskommt.

Die bisherige Beschreibung der Funktionsweise einer solchen Leckagekompensation berücksichtigt nur die Leckageverluste 27 im Inneren des Systems. Natürlich treten auch nicht dargestellte Leckageverluste über die Systemgrenzen besonders im Bereich der Dichtung 25 auf.

Um diesen Leckageverlust über die Systemgrenze aus zu­ gleichen dient der Kanal 19 zur nicht dargestellten Kurbelwellenlagerung mit seinem Rückschlagventil 21, welcher einen Fluidübertritt vom Ölvolumen 20 der Kur­ belwellenlagerung in das System ermöglicht. Zu diesem, durch den Pfeil 30 angedeuteten, Nachfüllen von Fluid in das System kommt es immer dann, wenn in der unteren Versorgungskammer 9 während des Ausfederns und vor Öffnen des Überdruckventils 17 ein Fluidmangel und damit ein Unterdruck herrscht.

Im weiteren zeitlichen Verlauf kommt es jetzt wieder zum Einfedern der Pleuelstange 1, wobei das Rück­ schlagventil 14 das Volumen der Arbeitskammer 6 gegen die obere Versorgungskammer 10 verschließt und so das Fluid in der Arbeitskammer 6, der eigentlichen Fluid­ feder, durch seine Kompressibilität Energie speichern kann. Die auftretenden Leckageverluste strömen wieder entlang dem in Fig. 1 dargestellten Pfeil 27 in die untere Versorgungskammer 9 und durch den Überströmka­ nal 15 mit geöffnetem Rückschlagventil 16 in die obere Versorgungskammer 10. Beim erneuten Ausfedern der Pleuelstange l verkleinert sich das Volumen der oberen Versorgungskammer 10 schneller als das der Arbeitskam­ mer 6 und diese wird durch den Nachfüllkanal 13 mit geöffnetem Rückschlagventil 14 wieder aufgefüllt.

Die Konstruktion der Fluidfeder, insbesondere die Ein­ tauchlänge des Druckkolbens 7 in die Arbeitskammer 6 kann dabei so vorgesehen sein, daß mit zunehmendem Einfederweg die Länge des Paßspaltes 23 zunimmt und somit die Leckagebehinderung für das aus tretende Fluid ansteigt. Dies ist trotz der Möglichkeit der Leckage­ kompensation sinnvoll, da Leckageverluste 27 der Ar­ beitskammer 6 gleichbedeutend mit Energieverlusten der Fluidfeder sind.

Claims (6)

1. Pleuelstarige zur Übertragung der Energie zwischen einem Kolben und einer Kurbelwelle in einer Hub­ kolbenmaschine, wobei die Pleuelstange zwei in Pleuelstangenlängsrichtung relativ zueinander ver­ schiebliche Pleuelteile aufweist, die über einen in Längsrichtung wirksamen Energiespeicher in Form einer wenigstens einstufigen Fluidfeder miteinan­ der in Wirkverbindung stehen, wobei die Fluidfeder durch wenigstens eine mit einem Fluid gefüllte Ar­ beitskammer gebildet ist, die einen mit einer Druckkolbenfläche versehenen Druckkolben aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange (1) zusätzlich zu der mit Fluid gefüllten Arbeitskammer (6) weitere mit dem selben Fluid gefüllte und miteinander verbundene Versor­ gungskammern (9, 10) aufweist, die jeweils minde­ stens eine Druckkolbenfläche (11, 12) aufweisen, die gegenüber weiteren Begrenzungsflächen der Ver­ sorgungskammern (9, 10) beweglich ausgebildet sind, wobei mindestens eine der Versorgungskammern (10) mit der Arbeitskammer (6) über einen Verbindungs­ kanal (13) in Verbindung steht, wobei die minde­ stens eine Druckkolbenfläche (12) der mit der Ar­ beitskammer (6) in Verbindung stehenden Versor­ gungskammer (10) größer ist als die Druckkolben­ fläche (8) der Arbeitskammer (6), und wobei in dem Verbindungskanal (13) zwischen der mit der Ar­ beitskammer verbundenen Versorgungskammer (10) und der Arbeitskammer (6) ein Rückschlagventil (14) angeordnet ist.

2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkolbenflächen (11, 12) der Versorgungskam­ mern (9, 10), die Druckkolbenfläche (8) der Ar­ beitskammer (6) und eines der Pleuelteile (2) in fester mechanischer Verbindung miteinander stehen und bei einer translatorischen Relativbewegung der Pleuelteile (2, 3) zueinander ein gleiches Wegstück zurücklegen.

3. Pleuelstange nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ zueinander verschieblichen Pleuelteile (2, 3) einen mechanischen Anschlag aufweisen, wo­ durch die relative Verschiebung der Pleuelteile (2, 3) zueinander und damit der Druck des Fluids in der Arbeitskammer (6) begrenzbar ist.

4. Pleuelstange nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verbindungskanal (15) zwischen den Ver­ sorgungskammern (9, 10) ein Rückschlagventil (16) angeordnet ist, welches ein Überströmen des Fluids nur in der Richtung von der einen Versorgungskam­ mer (9) in die mit der Arbeitskammer (6) verbunde­ ne Versorgungskammer (10) erlaubt.

5. Pleuelstange nach einem der. Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange (1) einen Verbindungskanal (19) mit einem Rückschlagventil (21) zwischen einer der Versorgungskammern (9, 10) und einem Fluidvolumen (20) aufweist, wobei das Rückschlagventil (21) ei­ nen Übertritt des Fluids nur von dem Fluidvolumen (20) in die eine Versorgungskammer (9) erlaubt.

6. Pleuelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Verbindungskanal (18) zwischen den Versorgungskammern (9, 10) ein Überdruckventil (17) angeordnet ist, durch welches der Fluiddruck in der mit der Arbeitskammer (6) verbundenen Ver­ sorgungskammer (10) und in der Arbeitskammer (6) begrenzbar ist.