DE60126735T2

DE60126735T2 - Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE60126735T2
Application number: DE60126735T
Authority: DE
Inventors: Joshua Putman Styron
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: DE60126735D1; US20020148417A1; US6679203B2; EP1236876A3; EP1236876A2; EP1236876B1; US6394048B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennkraftmaschinen mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis und insbesondere auf eine Vorrichtung mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis und einem zugehörigen System zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels im Motor.
Das "Verdichtungsverhältnis" einer Brennkraftmaschine ist als das Verhältnis des Zylindervolumens bei in der unteren Totpunktstellung (UT) stehendem Kolben zu dem Zylindervolumen bei in der oberen Totpunktstellung (OT) stehendem Kolben definiert.
Es ist bekannt, daß der thermische Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine um so höher ist, je höher das Verdichtungsverhältnis ist. Daraus wiederum ergibt sich eine verbesserte Kraftstoffersparnis und ein höheres Verhältnis von abgegebener Energie zu eingespeister Energie des Verbrennungsmotors.
Bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine ist das Verdichtungsverhältnis feststehend, und damit kann der Motorwirkungsgrad unter bestimmten Betriebsbedingungen auch nicht optimiert werden, um den Kraftstoffverbrauch und die Motorleistung zu optimieren.
Um diesem Problem zu begegnen, sind Motoren mit "verstellbarem Verdichtungsverhältnis" (VCR – variable compression ratio) entwickelt worden, die z.B. beim Betrieb mit niedriger Last ein höheres Verdichtungsverhältnis haben, und ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis unter Betriebsbedingungen mit hoher Last. Herkömmliche Techniken zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses beinhalten den Einsatz von "Unter-Brennräumen" und "Unter-Kolben" zur Verstellung des Zylindervolumens: siehe z.B. die US-Patentschriften Nr. 4,246,873 und 4,286,552; die Verstellung der Ist-Maße des gesamten Kolbens oder eines Teils des Kolbens, der an einem Pleuel mit fester Länge angelenkt ist: siehe US-Patentschriften Nr. 5,865,092; und die Verstellung der Ist-Länge des Pleuels selbst: siehe US-Patentschriften Nr. 5,724,863 und 5,146,879.
Viele herkömmliche Techniken beruhen aber auf dem Einsatz komplexer und kostspieliger hydraulischer Steuersysteme zur Verstellung der Länge eines Pleuels, oder der Höhe eines hin- und hergehenden Kolbens.
In der US-Patentschrift Nr. 5,562,068 zum Beispiel wird ein Hydrauliksystem dazu eingesetzt, die effektive Länge eines Pleuels dadurch zu verändern, daß ein im Pleuelfuß gelagerter Exzenterring verdreht und selektiv blockiert wird. Wenn der Hydraulikdruck abgelassen wird, verrastet der Exzenterring auf dem Kurbelzapfen, so daß sich eine größere effektive Länge des Pleuels ergibt, und damit ein Betrieb mit höherem Verdichtungsverhältnis. Wird Hydraulikdruck angelegt, wird der Exzenterring im Pleuel verriegelt, so daß sich eine kürzere effektive Länge des Pleuels und damit ein kleineres Verdichtungsverhältnis ergibt.
Die US-Patentschrift Nr. 5,960,750 offenbart in ähnlicher Weise ein Pleuel mit einem drehbaren Exzenterring, der über ein hydraulisches Steuersystem betätigt wird. Der Pleuel enthält ein mechanisch betätigbares Verriegelungsteil zum Verriegeln des Exzenterrings in einer von zwei Stellungen. Wenn es in einer ersten Richtung betätigt wird, verriegelt das Verriegelungsteil den Exzenterring in einer Stellung, welche einer maximalen effektiven Länge des Pleuels entspricht, d.h. einem Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis. Bei Betätigung in einer zweiten Richtung verriegelt das Verriegelungsteil den Exzenterring in einer Stellung, welche einer minimalen effektiven Länge des Pleuels entspricht, d.h. einem Betrieb mit hohem [sic] Verdichtungsverhältnis.
Die US-Patentschrift Nr. 5,417,185 offenbart Ringe, welche zwischen dem "Pleuelauge" eines Pleuels und einem entsprechenden Kolbenbolzen angeordnet sind, um die Höhe des Kolbens verändern zu können, sowie den Einsatz eines hydraulischen Steuersystems zum Betreiben der Brennkraftmaschine in Betriebsarten mit jeweils unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen.
Die deutsche Patentschrift DE-A-19606622 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem ersten Teil von Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem ersten Teil von Patentanspruch 7.
Die deutsche Patentschrift DE-A-19858245 geht einen Schritt weiter in der Verbesserung dieser Konstruktion, indem sie eine feldempfindliche Flüssigkeit zur Verriegelung des Kolbens auf einer gewählten Höhe in bezog auf das Pleuelauge des Pleuels verwendet. Dies ist jedoch insofern nachteilig, als dadurch die Geometrie des Kolbens in bezog auf die Zylinderwand verändert wird, insbesondere seine Neigung zum Kippen um den Kolbenbolzen oder Pleuelfaustbolzen. Dadurch kann es zu erhöhtem Verschleiß des Kolbenhemds und der Zylinderlaufbuchse kommen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis zu stellen, und mit einem Pleuel, der schnell und zuverlässig ohne den Einsatz eines hydraulischen Steuersystems betätigt werden kann.
Einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Vorrichtung zur selektiven Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine gestellt, worin die Brennkraftmaschine einen Zylinder aufweist, einen in diesem Zylinder angeordneten hin- und hergehenden Kolben, eine Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen, und einen Pleuel, welcher mit dem Kurbelzapfen und dem Kolben gekoppelt ist; wobei die Vorrichtung folgendes beinhaltet: einen Lagerkäfig, welcher zwischen dem Pleuel und dem Kurbelzapfen angeordnet ist, wobei der Lagerkäfig einen mit dem Kurbelzapfen kommunizierenden inneren Teil und einen mit dem Pleuel kommunizierenden äußeren Teil aufweist, wobei der Pleuel entlang der Längsachse des Pleuels axial relativ zum Lagerkäfig verschiebbar ist; gekennzeichnet durch eine innerhalb des Pleuels angeordnete, in Verbindung mit dem Lagerkäfig stehende feldempfindliche Flüssigkeit; und eine Schaltung zum Anlegen eines Feldes an besagter feldempfindlicher Flüssigkeit, so daß der Pleuel in einer Position relativ zum Lagerkäfig gehalten wird, wobei die Position einem ausgewählten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entspricht.
Die feldempfindliche Flüssigkeit kann eine magnetorheologische Flüssigkeit ein, und die Schaltung kann einen Elektromagneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an besagter magnetorheologischer Flüssigkeit umfassen.
Alternativ dazu kann die feldempfindliche Flüssigkeit eine elektrorheologische Flüssigkeit sein, und die Schaltung kann eine Potentialquelle zum Anlegen eines elektrischen Feldes an besagter elektrorheologischer Flüssigkeit umfassen.
Der Lagerkäfig kann einen Stutzenbereich beinhalten, welcher mit besagter feldempfindlicher Flüssigkeit kommunizierend in Verbindung steht.
Die Vorrichtung kann so betreibbar sein, daß der Motor auf eine erste Verdichtungs verhältnis-Betriebsart eingestellt werden kann, auf eine zweite Verdichtungsverhältnis-Betriebsart, oder auf mehrere Verdichtungsverhältnis-Betriebsarten.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Einstellung eines veränderlichen Verdichtungsverhältnisses besteht darin, daß Übergänge zwischen zwei oder mehr Betriebsarten mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen schnell und zuverlässig ausgeführt werden können, ohne daß dazu die Verdrehung eines Exzenterringes erforderlich wäre, und ohne daß dies den Einsatz eines aufwendigen und kostspieligen hydraulischen Steuersystems erfordern würde.
Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein System zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis geschaffen, welches System eine Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beinhaltet und wenigstens einen Sensor zur Messung einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine aufweist, sowie eine mit der Brennkraftmaschine gekoppelte Motorsteuerung zur Erzeugung, ausgehend von der gemessenen Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine, eines Steuersignals, welches erforderlich ist, um besagte Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses im Einklang mit dem Soll-Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine einzustellen.
Einem dritten Aspekt der Erfindung zufolge wird eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis mit einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einem System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gestellt.
Einem vierten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine gestellt, wobei die Brennkraftmaschine einen Zylinder, einen in dem Zylinder angeordneten, hin- und hergehenden Hubkolben, eine Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen, einen mit dem Kurbelzapfen und dem Kolben gekoppelten Pleuel und einen Lagerkäfig in kommunizierender Verbindung mit einer in dem Pleuel angeordneten feldempfindlichen Flüssigkeit beinhaltet, und welches Verfahren die Messung mindestens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine beinhaltet; sowie die axiale Verschiebung des Pleuels entlang einer Längsachse des Pleuels bis in eine Position relativ zum Lagerkäfig, welche einem ausgewählten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entspricht, und das Anlegen eines Feldes an besagter feldempfindlicher Flüssigkeit, so daß der Pleuel in der dem ausgewählten Verdichtungsverhältnis entsprechenden Position gehalten wird.
Der Schritt der axialen Verschiebung des Pleuels relativ zum Lagerkäfig kann die Verschiebung des Pleuels beinhalten, während dieser unter Druck steht, um so eine Verkürzung des Abstandes zwischen dem Kurbelzapfen und dem Kolben zu bewirken.
Der Schritt der axialen Verschiebung des Pleuels relativ zum Lagerkäfig kann die Verschiebung des Pleuels beinhalten, während dieser zugbelastet ist, so daß eine Verlängerung des Abstandes zwischen Kurbelzapfen und Kolben bewirkt wird.
Der Schritt des Anlegens eines Feldes kann den Schritt der Anlegung eines Magnetfeldes an einem magnetorheologischen Fluid oder den Schritt der Anlegung eines elektrischen Feldes an einer elektrorheologischen Flüssigkeit beinhalten.
Durch die Ausnutzung der auf den Pleuel wirkenden Trägheitskräfte zur Änderung der effektiven Länge des Pleuels, und durch den Einsatz einer feldempfindlichen Flüssigkeit in Verbindung mit einem daran angelegten magnetischen oder elektrischen Feld zum "Verriegeln" und "Entriegeln" der Länge des Pleuels können Übergänge zwischen den verschiedenen Verdichtungsverhältnis-Betriebsarten innerhalb eines einzigen Motorzyklus durchgeführt werden, ohne dazu auf ein hydraulisches Steuersystem zurückgreifen zu müssen.
Einem fünften Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Herstellungsartikel zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine gestellt, wobei die Brennkraftmaschine einen Zylinder, einen in dem Zylinder angeordneten, hin- und hergehenden Hubkolben, eine Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen, und einen mit dem Kurbelzapfen und dem Kolben gekoppelten Pleuel aufweist, wobei besagter Herstellungsartikel folgendes beinhaltet: ein im Computer verwendbares Medium und einen computerlesbaren Programmcode, welcher im computerverwendbaren Medium eingebaut ist, um einen Computer anweisen zu können, den Schritt der axialen Verschiebung des Pleuels entlang einer Längsachse dieses Pleuels bis in eine Position relativ zu einem Lagerkäfig durchzuführen, wobei die Position einem ausgewählten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entspricht, und worin des weiteren der Lagerkäfig in Verbindung mit einer feldempfindlichen Flüssigkeit steht, welche innerhalb des Pleuels angeordnet ist, und worin ein Feld an besagter feldempfindlicher Flüssigkeit angelegt wird, um den Pleuel in der Position zu halten, welche dem gewählten Verdichtungsverhältnis entspricht.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
1: ein Diagramm eines beispielartigen Systems zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine;
2A und 2B: beispielartige Diagramme, welche den Betrieb einer mit einer Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses ausgestatteten Brennkraftmaschine bei niedrigem Verdichtungsverhältnis darstellen;
3A und 3B: beispielartige Diagramme, welche den Betrieb einer mit einer Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses ausgestatteten Brennkraftmaschine bei hohem Verdichtungsverhältnis darstellen;
4: eine Schnittansicht durch einen Pleuel und eine Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung;
5: ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens im Einklang mit der vorliegenden Erfindung; und
6: ein Steuerzeitdiagramm, welches den Betrieb einer als Beispiel angeführten Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses jeweils in der Betriebsart mit hohem und mit niedrigem Verdichtungsverhältnis darstellt.
1 zeigt ein Diagramm eines Systems zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der in 1 gezeigte Motor 110 ist ein Viertakt-Benzinmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung (DFI) mit mehreren Zylindern, wovon nur hier einer dargestellt ist, die Erfindung ist jedoch ebenso auf andere Formen von Hubkolben-Verbrennungsmotoren anwendbar.
Jeder der Zylinder hat einen Brennraum 111 und eine entsprechende Kraftstoffeinspritzdüse 113, Zündkerze 115, Ansaugkrümmer 124, Auslaßkrümmer 132 und einen hin- und hergehenden Hubkolben 112.
Jeder Kolben der Brennkraftmaschine ist an einem Ende eines Pleuels 114 angekuppelt, und das andere Ende ist an einem Kurbelzapfen 117 einer Kurbelwelle 116 angelenkt. Der Pleuel 114 ist vorzugsweise ein Pleuel mit fester Länge, er ist jedoch nicht auf diese Bauart beschränkt.
Der Hubkolben 112 ist des weiteren über einer elektronische Motorsteuerung 160 mit einer Vorrichtung 170 zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses gekoppelt, über welche das Verdichtungsverhältnis des Motors verändert werden kann. "Verdichtungsverhältnis", wie es in der Technik bekannt ist und verstanden wird, ist dabei definiert als das Verhältnis zwischen dem Volumen über dem Kolben 112 im Zylinder 111, wenn sich der Kolben im unteren Totpunkt (UT) befindet, und dem Volumen über dem Kolben 112 im Zylinder, wenn sich der Kolben 112 im oberen Totpunkt (OT) befindet.
Zwar ist die Vorrichtung 170 zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses nachstehend so beschrieben, daß sie ein "hohes" und ein "niedriges" Verdichtungsverhältnis liefert, die Vorrichtung 170 kann jedoch z.B. auch so abgeändert werden, daß sie ein oder mehrere Zwischen-Verdichtungsverhältnisse für eine Brennkraftmaschine liefert. Dementsprechend soll die Bezugnahme auf den Betrieb der Vorrichtung 170 mit "hohem" und mit "niedrigem" Verdichtungsverhältnis nicht so ausgelegt werden, daß sie den Bereich der hier beanspruchten Erfindung einschränken würde.
Weiter mit Bezug auf 1 wird die Vorrichtung 170 zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses so betrieben, daß sie eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Motors in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parameter(n) wie z.B. Motorlast und -Drehzahl bewirkt. Derartige Parameter werden mittels geeigneter Sensoren gemessen, wie z.B. mittels eines Drehzahlsensors 150, eines Luftmassestromsensors (MAF) 130 und eines Pedalstellungssensors 140, die alle mit der Motorsteuerung 160 gekoppelt sind.
Die Motorsteuerung 160 beinhaltet eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 162 mit entsprechenden Eingangs-/Ausgangsschnittstellen 169, einem Nurlesespeicher (ROM) 164 oder einem beliebigen geeigneten elektronischen Speichermedium mit vom Prozessor ausführbaren Anweisungen und Kalibrierdaten, einem Schreib- und Lesespeicher (RAM) 166 und einem Datenbus 168 jeder beliebigen geeigneten Aus gestaltung.
Die Steuerung 160 empfängt Signale von einer Reihe von am Motor 110 und/oder dem Fahrzeug angeschlossenen Sensoren und steuert den Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse 115, die so angeordnet ist, daß sie Kraftstoff in exakt bemessenen Mengen in einen zugehörigen Zylinder 111 einspritzt, so wie sie von der Steuerung 160 bestimmt worden sind.
Die Steuerung 160 steuert über das Zündungssteuermodul 122 in bekannter Weise auch den Betrieb der Zündkerzen 113.
Die 2A und 2B zeigen den Kolben 212 des Motors 210 jeweils im oberen Totpunkt (OT) und im unteren Totpunkt (UT) innerhalb eines Zylinders 216, wie es einer "Grund-" (eingezogenen) Betriebsstellung des Pleuels 218 für den Betrieb mit niedrigem Verdichtungsverhältnis entspricht.
Die 3A und 3B zeigen den Kolben 212 jeweils in der oberen Totpunktstellung (OT) und der unteren Totpunktstellung (UT), wie sie einer "ausgefahrenen" oder hochverdichtenden Betriebsstellung des Pleuels 218 für einen Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis entsprechen.
Wie die geschnittenen Teile der 2A und 2B zeigen, beinhaltet die Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einen zwischen dem Pleuel 218 und dem Kurbelzapfen 222 angeordneten Lagerkäfig 220. Der Lagerkäfig ist relativ zum Pleuel 218 bewegbar und bildet ein verstellbares Element, dessen Funktion darin besteht, den Abstand zwischen dem Kolben 212 und dem entsprechenden Kurbelzapfen 222 zu variieren.
Der Kurbelzapfen hat eine Mittelachse 224, die sich aus der Zeichnungsebene hinaus und parallel zur Drehachse 228 der entsprechenden Kurbelwelle 226 erstreckt.
Der Lagerkäfig 220 hat eine Mittelachse 230, die senkrecht zur Mittelachse 224 des Kurbelzapfens verläuft; ebenso hat der Pleuel 218 eine Mittelachse (die in den 3A und 3B bei 234 dargestellt ist).
Wenn sich der Pleuel 218 in der Grundstellung befindet, wie sie in den 2A und 2B dargestellt ist, und die hier einer Betriebsart mit niedrigem Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entspricht, stimmt die Mittelachse 230 des Lagerkäfigs voll oder im wesentlichen mit der Mittelachse 232 des entsprechenden Pleuels überein. Wenn sich der Pleuel in einer ausgefahrenen hochkomprimierenden Stellung für den Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis befindet, wie es in den 3A und 3B dargestellt ist, dann wird die Mittelachse 230 des Lagerkäfigs gegenüber der Mittelachse 232 des Pleuels verschoben.
Wie weiter in den 2A und 3B gezeigt ist, beinhaltet der Lagerkäfig 220 einen inneren Teil, der mit dem Kurbelzapfen 222 in Verbindung steht, und einen äußeren Teil, der mit dem Pleuel 218 in Verbindung steht. Der Pleuel 218 ist dem äußeren Teil des Lagerkäfigs gegenüber linear entlang der Längsachse 234 verschiebbar, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Pleuels 218 erstreckt.
Die Mittelachse des Pleuels wird auf diese Weise selektiv gegenüber der Mittelachse des Lagerkäfigs verschoben, so daß eine Änderung der effektiven Länge des Pleuels sowie des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine erfolgt.
Beim Betrieb mit nierdigem Verdichtungsverhältnis ist daher die effektive Länge des Pleuels in OT gleich der Grundlänge des Pleuels. Beim Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis dagegen ist die effektive Länge gleich der Grundlänge plus ein bestimmtes Delta x.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Pleuels 400 mit einer Vorrichtung 401 für den Betrieb mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis. Der Pleuel 400 hat ein "Pleuelauge" 402, welches nominal an einem Kolbenbolzen 420 befestigt ist, und einen "Pleuelfuß" 403, der nominal am Kurbelzapfen 404 befestigt ist.
Der Pleuelfuß 403 weist einen inneren Pleuelfußteil 410 und einen Flüssigkeitsspeicher 418 auf. Die Vorrichtung 401 für ein verstellbares Verdichtungsverhältnis beinhaltet ein einstellbares Element in Form eines Lagerkäfigs 406, der mit dem Kurbelzapfen 404 und dem Flüssigkeitsspeicher 418 zusammenwirkt.
Der Lagerkäfig 406 hat einen T-förmigen Stutzenteil 408, der so im Flüssigkeitsspeicher 418 angeordnet ist, daß eine Aufteilung des Flüssigkeitsspeichers in erste und zweite Speicherabschnitte 418a und 418 entsteht, die durch Übergangsbereiche 418c und 418d von einander getrennt sind. Jeder der Speicherabschnitte 418a und 418 ist mit einer feldempfindlichen Flüssigkeit 414 gefüllt, welche eine veränderliche Viskosität aufweist, die über das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes steuerbar ist.
Ein magnetorheologisches (MR) Fluid 414 ist im Flüssigkeitsspeicher angeordnet und einem Magnetfeld ausgesetzt, das über eine elektromagnetische Spule 412 innerhalb des Pleuels 400 in der Nähe des Flüssigkeitsspeichers 418 angelegt wird.
Geeignete MR-Flüssigkeiten sind in der Technik bekannt und beinhalten z.B. die von der Lord Corporation entwickelten Rheonetic^TM-Produkte.
Derartige Flüssigkeiten zeigen Festkörpereigenschaften, wenn sie einem daran angelegten Magnetfeld ausgesetzt sind, und können so dazu verwendet werden, die Lage des Lagerkäfigs in Bezug auf den Pleuel zu variieren.
Alternativ dazu kann die Spule 412 oder eine gleichwertige Magnetfeldquelle oder -Quellen auch außerhalb des Pleuels 400 montiert werden, entweder am Pleuel 400 oder in der Nähe desselben oder anderer Motorkomponenten.
Wenn dann die Spule 412 bestromt wird, wird die MR-Flüssigkeit zu zähflüssig, um noch durch die Übergangszonen 418c und 418d zwischen dem Stutzen 417 und dem Innenbereich 410 des Pleuels fließen zu können, so daß der Pleuel in der dem gewünschten Verdichtungsverhältnis entsprechenden Position verriegelt wird.
Alternativ dazu kann auch eine elektrorheologische (ER) Flüssigkeit zusammen mit einer Potentialquelle verwendet werden, um die gewünschte Verdichtungsverhältnis-Betriebsart für den Pleuel einzustellen.
5 zeigt ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben des Pleuels mit einem verstellbaren Verdichtungsverhältnis gemäß 4.
Nach 5 wird in Schritt 502 ein erstes Feld an der feldempfindlichen Flüssigkeit angelegt, um den Pleuel in der Position für das ursprüngliche bzw. Start-Verdichtungsverhältnis zu "verriegeln". Im Betrieb wird, wenn eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses erforderlich ist, in Schritt 504 ein zweites Feld angelegt, um den Pleuel zu "entriegeln". An diesem Punkt bewirken die am Pleuel angreifenden Trägheitskräfte, daß sich der Pleuel zum Lagerkäfig hin oder von ihm hinweg bewegt, so daß eine Änderung der effektiven Länge des Pleuels bewirkt wird. Die Position des Pleuels wird dabei in Schritt 508 überwacht, und wenn die gewünschte Position für ein bestimmtes vorgegebenes Verdichtungsverhältnis erreicht ist, wie in Schritt 510, dann wird das erste Feld wieder angelegt, so daß der Pleuel mit Schritt 512 in der gewünschten Position verriegelt wird.
Um die effektive Länge des Pleuels und damit das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine zu verändern, müssen die der Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses zugeführten Steuersignale zeitlich so auf den Motorzyklus abgestimmt sein, daß sie aus den am Pleuel angreifenden Trägheitskräften Nutzen ziehen.
So kann z.B. der Pleuel nur zwischen der letzten Hälfte des Auspufftaktes und der ersten Hälfte des Ansaugtaktes verlängert werden. Daher muß ein Übergang von einer Verdichtungsverhältnis-Betriebsart zur anderen in genau diesem Zeitraum erfolgen.
6 zeigt eine bevorzugte Form des Betriebes eines Pleuels für ein verstellbares Verdichtungsverhältnis jeweils in den Betriebsarten für hohes Verdichtungsverhältnis und für niedriges Verdichtungsverhältnis. Die Kurve 602 zeigt die Bewegungen eines Kolbens zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) während typischen Viertaktzyklen des Motors mit je einem Auslaßtakt A, einem Ansaugtakt B, einem Verdichtungstakt C und einem Arbeitstakt D.
Die Kurve 604 zeigt ein Steuersignalprofil, wie es z.B. am Elektromagneten 412 gemäß 4 angelegt wird, und das dazu erforderlich ist, den Pleuel in einer Position für den Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis, oder ausgefahrenen Position zu halten. Die Kurve 606 dagegen zeigt ein Steuersignalprofil, wie es erforderlich ist, den Pleuel in einer Position für den Betrieb mit niedrigem Verdichtungsverhältnis oder eingefahrenen Position zu halten.
Es sei nun noch einmal Bezug genommen auf 6, wo zur Haltung des Pleuels in der ausgefahrenen, einem hohem Verdichtungsverhältnis entsprechenden Position im Falle der 4 der Elektromagnet während des Verdichtungstaktes C, des Arbeitstaktes D, der ersten Hälfte des Auspufftaktes A sowie wenigstens während der letzten Hälfte des Einlaßtaktes B bestromt werden muß. Um den Pleuel in der eingezogenen, einem niedrigen Verdichtungsverhältnis entsprechenden Position zu halten, muß der Elektromagnet während der letzten Hälfte des Auspufftaktes A bis in die erste Hälfte des Ansaugtaktes B bestromt werden. Befindet sich der Stutzen 408 dagegen auf der Seite des Lagerkäfigs, der vom Pleuelauge abgewandt ist, werden die Steuersignal profile 604 und 606 umgekehrt.
Das Steuersignal ist vorzugsweise ein pulsbreitengesteuertes Signal, das wie in 6 dargestellt dazu eingesetzt werden kann, den Pleuel in zwei Verdichtungsverhältnis-Betriebsarten zu positionieren. Werden jedoch noch weitere Zwischen-Verdichtungsverhältnisse gewünscht, kann das Steuersignal zeitverschoben (phasenverschoben) werden, oder die Pulsbreiten können verändert werden, so daß auch Zwischenpositionen des Pleuels erzeugt werden.
Des weiteren kann das System bei Einsatz eines Stellungsgebers zur Rückmeldung vorteilhaft wie ein Pleuel mit stufenlos verstellbarem Verdichtungsverhältnis gesteuert werden, so daß es in einer Reihe von Verdichtungsverhältnis-Betriebsarten betrieben werden kann.
Zusammenfassend kann durch die Änderung der effektiven Länge des Pleuels unter Einsatz eines feldsensitiven Fluids das Zylindervolumen verändert werden, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, und somit das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine, ohne daß der Hubraum des Motors verändert wird. Das Zylindervolumen kann durch Verkürzen des Pleuels erhöht werden und kann durch Verlängern des Pleuels gesenkt werden, wobei dann der Pleuel durch Anlegen eines entsprechenden Feldes an dem feldsensitiven Fluid verriegelt wird. So kann das Verdichtungsverhältnis des Motors erhöht oder gesenkt werden.
Zwar ist die vorliegende Erfindung in Verbindung mit besonderen Ausführungsformen derselben beschrieben worden, es versteht sich jedoch von selbst, daß verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Anpassungen derselben vom Fachmann angebracht und durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der ausschließlich durch die beiliegenden Patentansprüche begrenzt wird.

Claims

Vorrichtung (170) zur selektiven Veränderung eines Vedichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine (110, 210), worin die Brennkraftmaschine einen Zylinder aufweist, einen in diesem Zylinder angeordneten hin- und hergehenden Kolben (112, 212), eine Kurbelwelle (116, 226) mit einem Kurbelzapfen (117, 222), und einen Pleuel (114, 218), welcher mit dem Kurbelzapfen und dem Kolben gekoppelt ist; welche Vorrichtung folgendes beinhaltet: einen Lagerkäfig (220), welcher zwischen dem Pleuel und dem Kurbelzapfen angeordnet ist, wobei der Lagerkäfig einen mit dem Kurbelzapfen kommunizierenden inneren Teil und einen mit dem Pleuel kommunizierenden äußeren Teil aufweist, wobei der Pleuel entlang der Längsachse des Pleuels axial relativ zum Lagerkäfig verschiebbar ist; gekennzeichnet durch eine innerhalb des Pleuels angeordnete, in Verbindung mit dem Lagerkäfig stehende feldempfindliche Flüssigkeit; und eine Schaltung zum Anlegen eines Feldes an besagter feldempfindlicher Flüssigkeit, so daß der Pleuel in einer Position relativ zum Lagerkäfig gehalten wird, wobei die Position einem ausgewählten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin besagte feldempfindliche Flüssigkeit eine magnetorheologische Flüssigkeit ist, und die Schaltung einen Elektromagneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an besagter magnetorheologischer Flüssigkeit umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin besagte feldempfindliche Flüssigkeit eine elektrorheologische Flüssigkeit ist, und die Schaltung eine Potentialquelle zum Anlegen eines elektrischen Feldes an besagter elektrorheologischer Flüssigkeit umfaßt.
System zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3 beinhaltet, und daß das System wenigstens einen Sensor (13, 140, 150) zur Messung einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine (110) aufweist, sowie eine mit der Brennkraftmaschine (110) gekoppelte Motorsteuerung (160) zur Erzeugung, ausgehend von der gemessenen Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine (110), eines Steuersignals, welches erforderlich ist, um besagte Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses im Einklang mit dem Soll-Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine (110) einzustellen.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis, mit einer Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis, mit einem System gemäß Anspruch 4.
Verfahren zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine (210) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Messung mindestens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine (210) beinhaltet; sowie die axiale Verschiebung des Pleuels (218) entlang einer Längsachse des Pleuels (218) bis in eine Position relativ zum Lagerkäfig (220), welche einem ausgewählten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine (210) entspricht, und das Anlegen eines Feldes an besagter feldempfindlicher Flüssigkeit, so daß der Pleuel (218) in der dem ausgewählten Verdichtungsverhältnis entsprechenden Position gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Schritt der axialen Verschiebung des Pleuels (218) relativ zum Lagerkäfig (220) das Verschieben des Pleuels (218) beinhaltet, während er unter Druck steht, um so eine Verkürzung des Abstandes zwischen dem Kurbelzapfen (222) und dem Kolben (212) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Schritt der axialen Verschiebung des Pleuels (218) relativ zum Lagerkäfig (220) das Verschieben des Pleuels (218) beinhaltet, während er unter Zug steht, um so eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Kurbelzapfen (222) und dem Kolben (212) zu bewirken.