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Pleuel
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Pleuel, bei dem der Abstand zwischen
den Mittelpunkten Pleuelauge und Pleuellager veränderbar ist.
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Bekanntlich steigt der thermische Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen
mit steigender Verdichtung, d.h. man erhält aus der gleichen Brennkraftmaschine
bei höherer Verdichtung höhere Leistung geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch
und niedrigere Abgastemperaturen. Es ist daher verständlich, daß das Verdichtungsverhältnis
der Brennkraftmaschinen in den letzten Jahrzehnten parallel mit der steigenden Klopffestigkeitder
verwendeten Kraftstoffe stark angestiegen ist. Unter dem Begriff Verdichtungsverhältnis
ist das Verhältnis der Volumina von Hub- und Verdichtungsraum zum Volumen des Brennraums
zu verstehen. Diese Entwicklung findet ihre Grenzen in folgenden Gegebenheiten:
Der Gewinn an thermischem Wirkungsgrad und damit an Leistung, Verbrauchssenkung
und Abgastemperatursenkung wird bei Erhöhung der Verdichtung wesentlich über 10
: 1 nur noch gering. Bei den heute ueblichen Brennraumformen und Verdichtungen unter
etwa 10 : 1 stellt das Klopfen die wichtigste Art unkontrollierter Verbrennung dar.
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Außer Klopfen treten noch andere ungewollte Verbrennungserscheinungen
auf. Hierzu gehören Oberflächenglühzündungen, Rumbeln, Dieseln und Nachlaufen. Bisher
ist es nicht
gelungen, diese Störungen durch Änderung der Brennräume
und des Kraftstoffs vollständig zu vermeiden. Darüberhinaus wird das Verdichtungsverhältnis
durch die sich im Motorbetrieb bildenden Verbrennungsrückstände erhöht. Dieselbrennkraftmaschinen
indessen verlangen hohe Verdichtung, da so hoch verdichtet werden muß, bis die komprimierte
Luft so heiß wirts daß der eingespritzte Dieselkraftstoff zündet.
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Es ist derzeit üblich, den thermischen Wirkungsgrad und damit die
Leistung einer zu einer bestimmten Hubraumklasse gehörenden Brennkraftmaschine durch
unterschiedliche Ausbildung der Kompressionshöhe, deh. des Abstandes zwischen Kolbenboden
und Mittelpunkt der Kolbenbolzenbohrung oder durch unterschiedliche Gestaltung des
im Kolbenboden oder Zylinderkopf angeordneten Brennraums, zu variieren. Diese Variationsmöglichkeiten
sind jedoch für eine einbaufertige und betriebsbereite Brennkraftmaschine starr
und unveränderlich.
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Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, das Kompressionsverhältnis
der Brennkraftmaschine während des Betriebs in der Weise zu ändern, daß eine Anpassung
der Leistung an die jeweils gestellten Anforderungen optimal möglich ist.
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So b ist auf der DT-AS 12 56 941 ein Brennkraftmaschinenkolben mit
einem Hilfskolbenbekannt, der den Verbrennungsraum begrenzt und auf oder in dem
Hauptkolben gleitend unter dem Druck der Verbrennung vorübergehend ausweicht, also
den Verbrennungsraum vergrößert und dessen Druck senkt und sich danach in seine
normale Lage wieder zurückbewegt, also den Verbrennungsraum wieder verkleinert und
dessen Druck wieder erhöht, wobei die Kraft, die der Hilfskolben
beim
Ausweichen überwinden muß und die ihn in seine Normallage zurückbewegt durch. Drucköl
ausgeübt wird. Das Drucköl tritt aus der hohlen Pleuel- oder Kolbenstange vermöge
seiner Trägheit im oberen Teil des Kolbenhubs über ein Rückschlagventil in eine
zwischen Haupt- und Hilfskolben gebildete Druckölkammer ein und wird aus dieser
unter dem Druck der Verbrennung vom Hilfskolben durch mindestens ein Sicherheitsventil
herausgedrückt. Die Normallage des Hilfskolbens wird auf bzw. in dem Hauptkolben
durch die Federspannung des Sicherheitsventils bestimmt.
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Grundsätzlich können mit einer Brennkraftmaschine, deren Verdichtungsverhältnis
während des Motorbetriebs veränderbar ist, folgende Vorteile erzielt werden: a)
Anpassung der Leistung und des Drehmoments an die jeweils gestellten Anforderungen
bei höherer Wirtschaftlichkeit im Teillastgebiet und damit bei erhöhter Energieausnutzung,
b) Verminderung des schädlichen Anteils der Abgase, c) Verminderung des Motorgeräusches,
d) Vermeidung von Verbrennungsfehlern und damit t geringere mechanische und thermische
Belastung der Triebwerkteile, e) je nach Motorbelastung freie Wahl des zu verwendenden
Kraftstoffes (Otto-Motor).
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Diese Vorteile werden mit einem Kolben nach der DT-AS 12 56 941 nicht
vollständig erreicht, da seine volle Funktionsfähigkeit während des Motorbetriebs
nicht
gewährleistet ist. Abgesehen davon, ist die Herstellung eines
solchen Kolbens mit einem vergleichsweise erheblichen Aufwand verbunden Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine ohne
am Kolben oder Zylinderkopf selbst konstruktive Änderungen vorzunehmen, eine Veränderung
des Kompessionsverhältnisses, insbesondere während des Notorbetriebs, zu erreichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß bei einem
Pleuel der eingangs genannten Art im Pleuelauge eine mit einer exzentrischen Lagerbohrung
versehene Lagerbuchse schwimmend gelagert um bis zu 1800 hydraulisch verdrehbar
ist. Bei der Drehung, bei der die entstehende Reibung wesentlich kleiner als die
in Umfangsrichtung der Lagerbuchse wirkende Kraft ist, verändert sich infolge der
exzentrisch gestalteten Lagerbohrung die Lage des Mittelpunktes des Pleuelauges,
damit der Abstand zwischen Pleuelauge und Pleuellager und demzufolge auch das Kompressionsverhältnis
der Brennkraftmaschine.
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Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind im Umfang der Lagerbuchse
mehrere Durchbrechungsschlitze angebracht, von denen sich die einen in Drehrichtung
und die anderen entgegen der Drehrichtung über einen Bereich von etwa 0 bis etwa
270° erstrecken. Die einen Durchbrechungsschlitze sind mit einem im Pleuelauge angebrachten
Zulauf für eine Hydraulikflüssigkeit niedrigen Drucks und die anderen Durchbrechungsschlitze
mit einem im Pleuelauge angebrachten Zulauf für eine Hydraulikflüssigkeit hohen
Drucks verbunden. Über die Zuläufe wird je nachdem, ob das Verdichtungsverhältnis
vergrößert oder verkleinert werden soll, die Hydraulikflüssigkeit entweder in die
einen oder anderen Durchbrechungsschlitze geleitet.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Anordnung
einer Lagerbuchse im Pleuelauge, die mit einem in Drehrichtung und mit einem entgegen
der Drehrichtung jeweils über einen Bereich von etwa 0 bis etwa 2700 verlaufenden
Durchbrechungsschlitz versehen ist.
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Anstelle einer solchen Lagerbuchse kann auch eine Lagerbuchse mit
drei Durchbrechungsschlitzen in das Pleuelauge eingesetzt sein, wobei ein Durchbrechungsschlitz
in Drehrichtung und die beiden anderen Durchbrechungsschlitze entgegen der Drehrichtung
jeweils sich über einen Bereich von etwa 0 bis etwa 270° erstreckend angeordnet
sind.
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Eine mögliche andere Ausfühnmgsform des Erfindungsgedankens besteht
in der Verwendung einer in das Pleuelauge eingesetzten Lagerbuchse mit vier Durchbrechungsschlitzen,
von denen jeweils zwei in Drehrichtung und zwei entgegen der Drehrichtung über einen
Bereich von etwa 0 bis etwa 1800 verlaufen.
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In jedem Durchbrechungsschlitz ragt ein die Führung der Lagerbuchse
bei der Verdrehung, die Begrenzung der Drehbewegung sowie die Abdichtung des Durchbrechungsschlitzes
bewirkender federnd im Pleuelauge je nach Länge der erforderlichen Verdrehung im
Bereich von etwa 90 bis etwa 1800 gelagerter Bolzen. Beim Einströmen der Hydraulikflüssigkeit
in die Durchbrechungsschlitze baut sich jeweils im Bereich zwischen dem Bolzen und
dem zulaufseitigen Ende des Durchbrechungsschlitzes ein die Verdrehung der Lagerbuchse
bewirkender Druck auf 0 Die Drehbewegung ist beendet, sobald der Bolzen an das in
Verdrehrichtung liegende Ende des Durchbrechungsschlitzes anschlägt.
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Damit die Lagerbuchse in der jeweiligen Radstellung arretierbar ist,
sind auf dem Rücken der Lagerbuchse im Bereich von etwa 0 bis etwa 2700 wenigstens
zwei kalottenartige Vertiefungen angeordnet, von denen die eine mit den hochdruckbeaufschlagbarenund
die andere mit den niederdruckbeaufschlagbaren Durchbrechungsschlitzen jeweils über
eine Nute in Verbindung steht.
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In diese kalottenartigen Vertiefungen rastet je nach Verdrehrichtung
jeweils eine im Pleuelauge etwa bei 900 federnd gelagerte Kugel ein. Das Ausrasten
der Kugel erfolgt durch den in den jeweils zugehörigen Durchbrechungsschlitzen durch
Einströmen der Hydraulikflüssigkeit erzeugten Druck.
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Die Steuerung der Beaufschlagung des Zulaufes für die Hydraulikflüssigkeit
hohen Drucks bzw. niedrigen Drucks erfolgt über ein im Pleuelauge angebrachtes Druckventil0
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die Abwicklung einer in das Pleuelauge einsetzbaren
Lagerbuchse 1, in deren Umfang zwei parallel zur Mittellinie verlaufende Durchbrechungsschlitze
2, 3 angeordnet sind, Der eine Durchbrechungsschlitz 2 ist in Drehrichtung, der
andere Durchbrechungsschlitz 3 entgegen der Drehrichtung sich über einen Bereich
von 0 bis 2700 bzw. 360 bis 900 erstreckend angebracht0 In den einen Durchbrechungsschlitz
2 tritt der Zulauf 4 für die Hydraulikflüssigkeit niedrigen Drucks und in den anderen
Durchbrechungsschlitz 3
der Zulauf 5 für die Hydraulikflüssigkeit
hohen Drucks ein. Der eine Durchbrechungsschlitz 2 ist über die Nute 6 mit der auf
der Rückseite der Lagerbuchse 1 im Bereich von 900 angebrachten kalottenartigen
Vertiefung 7 und der andere Durchbrechungsschlitz 3 über die Nute 8 mit der auf
der Rückseite der Lagerbuchse 1 im Bereich von 2700 angebrachten kalottenartigen
Vertiefung 9 verbunden.
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Fig. 2 einen Querschnitt durch das Pleuelauge 10 entlang der Mittellinie
der Lagerbuchse 1, wobei in eine der beiden auf der Rückseite der Lagerbuchse befindlichen
Vertiefungen 7, 9 die in dem Pleuelauge federnd gelagerte Kugel 11 eingerastet ist.
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Fig. 3 einen Querschnitt durch das Pleuelauge 10 entlang der durch
den Durchbrechungsschlitz für den niedrigen Druck gelegten Schnittlinie I - 1 der
Fig. 1. Die in dem Pleuelauge 10 schwimmend gelagerte Lagerbuchse 1 befindet sich
in einer ein hohes Verdichtungsverhältnis bewirkenden Position. In den Durchbrechungsschlitz
2 ragt der im Pleuelauge 10 im Bereich von 900 federnd gelagerte Fürungs- und Dichtbolzen
12. Falls ein niedriges Verdichtungsverhältnis hergestellt werden soll, wird über
den im Pleuelauge 10 befindlichen in den Dur chbrechungs schlitz 2 austretenden
Zulauf 4 Hydraulikflüssigkeit von niedrigem Druck in den vom Füungs- und Dichtbolzen
12 einerseits und vom einen Ende des Durchbrechungsschlitzes 2 andererseits gebildeten
Zwischenraum gefördert, so daß sich dort ein Druck aufbaut, durch den die Kugel
11 aus der
Vertiefung 7 herausgedrückt und die Lagerbuchse 1 in
Pfeilrichtung bis zum Anschlag des Führungs-und Dichtbolzens 12 an das andere Ende,
also um 1800, verdreht wird. In dieser Position rastet die Kugel 11 in die auf dem
Rücken der Lagerbuchse 1 angebrachte Vertiefung 9 arretierend ein.
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Fig. 4 einen Querschnitt durch das Pleuelauge 10 entlang der Schnittlinie
I - I der Fig. 1, wobei sich die Lagerbuchse 1 in der ein niedriges Verdichtungsverhältnis
erzeugenden Position befindet.
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Fig. 5 einen Querschnitt durch das Pleuelauge 10 entlang der durch
den Durchbrechungsschlitz für den hohen Druck gelegten Schnittlinie II - II der
Fig. 1, in dem die Position der Lagerbuchse 10 bei niedrigem Verdichtungsverhältnis
dargestellt ist.
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Wenn aus dieser Position heraus ein höheres Verdichtungsverhältnis
erzeugt werden soll, wird über den in den Durchbrechungsschlitz 3 austretenden Zulauf
5 Hydraulikflüssigkeit hohen Drucks in den zwischen dem Führungs und Dichtbolzen
13 und dem bei 1800 -bezogen auf das Pleuelauge 10 - befindlichen einen Ende des
Durchbrechungsschlitzes 5 gebildeten Raum gefördert, in dem es dann zu einem Druckaufbau
kommt, wodurch die Kugel 11 aus der auf der Rückseite der Lagerbuchse angeordneten
Vertiefung 9 herausgedrückt und die Lagerbuchse 1 in Pfeilrichtung bis zum Anschlag
des anderen Endes des Durchbrechungsschlitzes 3 an den FUhrungs- und Dichtbolzen
13, also um 1800, verdreht wird.
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Fig. 6 einen Querschnitt durch das Pleuelauge 10 entlang der Schnittlinie
II - II der Fig. 1, in dem die Position der Lagerbuchse 1 bei hohem Verdichtungsverhältnis
wiedergegeben ist.
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Fig. 7 die Abwicklung einer in das Pleuelauge einsetzbaren Lagerbuchse
14, in deren Umfang vier parallel zur Mittellinie verlaufende Durchbrechungsschlitze
15, 16, 17, 18 angebracht sind. Die einen Durchbrechungsschlitze 15, 16 sind in
Drehrichtung und die anderen Durchbrechungsschlitze 17, 18 entgegen der Drehrichtung
angeordnet und erstrecken sich jeweils über einen Bereich von 0 bis 1800 bzw.
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360 bis 1800. In den einen Durchbrechungsschlitz 16 mündet der Zulauf
19 für die Hydraulikflüssigkeit niedrigen Drucks Die beiden Durchbrechungs schlitze
15, 16 sind über eine Nute 20 verbunden, die mit der auf der Rückseite der Lagerbuchse
befindlichen kalottenartigen im Bereich von 00 liegenden Vertiefung 21 für das Einrasten
der im Pleuelauge federnd gelagerten Kugel. Der Zulauf 22 für die Hydraulikflüssigkeit
hohen Drucks ist zwischen den beiden Durchbrechungsschlitzen 17, 18 angebracht und
mit diesen über die Nute 23 verbunden. Vom Zulauf 22 erstreckt sich eine weitere
Nute 24 zu der im Bereich von 900 auf der Rückseite der Lagerbuchse 14 befinde lichen
kalottenartigen Vertiefung 25 für das Einrasten der die Lagerbuchse arretierenden
Kugel 11.
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In die Durchbrechungsschlitze 15, 16, 17, 18 ragt jeweils ein Fuhrungs-
und Dichtbolzen 26, 27, 28, 29, die in der Weise im Pleuelauge federnd gelagert
sind, daß die Lagerbuchse 14 um 900 verdrehbar ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß es mit vergleichsweise einfachen Mitteln gelingt, das Kompressionsverhältnis
einer Brennkraftmaschine während des Motorbetriebes zu ändern.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei der exzentrischen
Anordnung einer weiteren schwimmend gelagerten, hydraulisch verdrehbaren Lagerbuchse
in der einen Lagerbuchse ein behebiges Verdichtungsverhältnis zwischen größter und
kleinster Verdichtung manuell einstellbar ist, indem durch definierte Drehung der
beiden Lagerbuchsen der Mittelpunkt des Kolbenbolzens mit dem Mittelpunkt des Pleuelauges
übereinstimmt und somit das bei Verwendung einer Lagerbuchse auftretende Biegemoment
vermieden wird.
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Patentansprüche
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