EP3387234B1

EP3387234B1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP3387234B1
Application number: EP16809371.4A
Authority: EP
Inventors: Volker Cornelius; Michael Reinhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: CN108368775B; EP3387234A1; WO2017097934A1; DE102015224909A1; CN108368775A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem innerhalb des Zylinders beweglich geführten Kolben, einer Kurbelwelle und einem den Kolben mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbindenden Pleuel, wobei innerhalb eines Pleuelauges des Pleuels eine den Kurbelzapfen drehbar aufnehmende Exzenterhülse drehbar gelagert ist, die in mindestens zwei Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels mittels einer Sperrvorrichtung sperrbar ist.
Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht einen Betrieb mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis, das sich infolge eines in Abhängigkeit von der Drehausrichtung der Exzenterhülse ergebenden veränderlichen Abstands zwischen dem Kurbelzapfen und dem Kolben einstellt. Durch eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine können deren thermodynamische Funktion verbessert und somit insbesondere der Wirkungsgrad der Energieausnutzung und/oder die Leistungsabgabe in unterschiedlichen Lastbereichen verbessert werden.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 03 948 C1 bekannt. Darin ist zudem offenbart, dass eine Verdrehung der Exzenterhülse zwischen den zwei vorgesehenen Drehausrichtungen normalerweise völlig selbsttätig durch die auf die Exzenterhülse infolge der Drehung der Kurbelwelle beziehungsweise der dazugehörigen Pleuelbewegung einwirkenden Kräfte erfolgt. Zusätzlich könne vorgesehen sein, in den Pleuel einen Hydraulikmotor zu integrieren, durch den ein Verdrehen der Exzenterhülse in einem nicht durch die Sperrvorrichtung gesperrten Zustand bewirkt werden könne.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein Verdrehen der Exzenterhülse bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen, das allein auf den sich aus dem Betrieb der Brennkraftmaschine auf die Exzenterhülse einwirkenden Kräften beruhen soll, nicht zuverlässig oder zumindest nicht schnell genug funktioniert. Die weiterhin in der DE 197 03 948 C1 vorgeschlagene Integration eines Hydraulikmotors zur aktiven Verdrehung der Exzenterhülse ist einerseits konstruktiv sehr aufwendig und erhöht andererseits im erheblichen Maße die Masse des Pleuels, was insbesondere infolge der auch translatorischen Hin-und-her-Bewegung des Pleuels mit den dabei auftretenden großen Beschleunigungen problematisch ist.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine, bei der eine kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtung vorgesehen ist, mittels der eine Exzenterhülse temporär an eine Kurbelwelle koppelbar ist, um die Exzenterhülse relativ zu einem Pleuel zu verdrehen, ist aus der DE 10 2004 053 225 A1 bekannt.
Die DE 103 09 651 A1 offenbart dagegen eine Brennkraftmaschine, bei der eine entsprechende Kupplungsvorrichtung formschlüssig wirkt.
Eine Brennkraftmaschine, bei der ein Kolbenhub mittels einer Exzenterhülse verstellbar ist, istweiterhin aus der EP 0 438 121 B1 bekannt. Darin wird jedoch nicht thematisiert, wie es zu einer Verdrehung der dortigen Exzenterhülse zwischen den zwei vorgesehenen Drehausrichtungen kommen soll.
Für eine entsprechende Brennkraftmaschine, wie sie in der DE 102 30 429 A1 beschrieben ist, ist dagegen explizit angegeben, dass ein solches Mitdrehen einer Exzenterhülse mit einem Pleuel bei geöffneter Sperrvorrichtung infolge von an dieser angreifenden Lagerreaktionskräften erfolgen soll.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine ein sicheres und/oder schnelles Verdrehen der Exzenterhülse zwischen den mindestens zwei Drehausrichtungen zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine, die zumindest einen Zylinder, einen innerhalb des Zylinders beweglich geführten Kolben, eine Kurbelwelle und einen den Kolben mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbindenden Pleuel umfasst, wobei innerhalb eines Pleuelauges des Pleuels eine den Kurbelzapfen drehbar aufnehmende Exzenterhülse ihrerseits drehbar gelagert ist, die in mindestens zwei Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels mittels einer Sperrvorrichtung bedarfsweise sperrbar ist, eine Kupplungsvorrichtung vorgesehen, mittels der die Exzenterhülse temporär an die Kurbelwelle und insbesondere an eine oder beide Wangen des Kurbelzapfens koppelbar ist, um die Exzenterhülse relativ zu dem Pleuel zu verdrehen.
Demnach wird eine Drehung der Kurbelwelle beziehungsweise des Kurbelzapfens relativ zu dem Pleuel im Betrieb der Brennkraftmaschine ausgenutzt, um die Exzenterhülse temporär mitzunehmen und dadurch schnell und sicher von der einen in die andere Drehausrichtung zu verdrehen. Dies erfolgt vorzugsweise immer dann, wenn die Exzenterhülse nicht in einer der Drehausrichtungen mittels der Sperrvorrichtung gesperrt ist. Da eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine normalerweise stets in einer Drehrichtung rotiert, erfolgt somit auch ein Verdrehen der Exzenterhülse stets in einer (derselben) Drehrichtung relativ zu dem Pleuel.
Die Kupplungsvorrichtung wirkt dabei (bevorzugt ausschließlich) kraftschlüssig. Dadurch kann sich insbesondere die konstruktive Ausgestaltung der Kupplungsvorrichtung vereinfachen und ein schlagartiges Mitnehmen der Exzenterhülse durch die Kurbelwelle, wie dies bei einer formschlüssig wirkenden Kupplungsvorrichtung der Fall sein könnte, kann dadurch vermieden werden. Dieser Aspekt kann insbesondere relevant sein, weil in einem Betrieb einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen große Differenzwinkelgeschwindigkeiten zwischen der in einer der Drehausrichtungen drehfest bezüglich des Pleuels angeordneten Exzenterhülse und der Kurbelwelle beziehungsweise der oder den Wangen des dazugehörigen Kurbelzapfens der Kurbelwelle vorliegen können.
Die kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtung ist derart ausgebildet sein, dass die Kurbelwelle und die Exzenterhülse jeweils eine Kupplungsfläche aufweisen, die einen Kupplungsspalt mit in einer radialen Richtung (d.h. radial nach innen oder radial nach außen bezüglich der Drehachse der Exzenterhülse innerhalb des Pleuelauges) abnehmender Spaltbreite ausbilden, wobei ein Kupplungselement in eine erste Stellung und eine zweite Stellung bringbar ist, die sich hinsichtlich der radialen Position innerhalb des Kupplungsspalts und damit hinsichtlich des Anpressdrucks zwischen dem Kupplungselement und den Kupplungsflächen der Exzenterhülse und der Kurbelwelle unterscheiden. Eine solche Kupplungsvorrichtung wird demnach radial betätigt, wirkt jedoch primär in axialer Richtung, d.h. die normal gerichteten Druckkräfte, die in den kontaktierenden Kupplungsflächen einen Kraftschluss bewirken, sind zumindest mehr in axialer Richtung bezüglich der Drehachse der Exzenterhülse innerhalb des Pleuelauges als radial dazu ausgerichtet.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Stellung des Kupplungselements durch einen relativ großen Anpressdruck und die zweite Stellung durch einen relativ kleinen Anpressdruck gekennzeichnet ist. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Anpressdruck in einer (insbesondere der ersten) der Stellungen des Kupplungselements so groß ist, dass sich eine im Wesentlichen schlupffreie Mitnahme der Exzenterhülse durch die Kurbelwelle einstellt. Ebenfalls bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Anpressdruck in der anderen (insbesondere der zweiten) der Stellungen des Kupplungselements möglichst gering und insbesondere im Wesentlichen null ist, so das in vorteilhafter Weise Reibungsverluste infolge einer kontaktierenden Relativbewegung zwischen den Kupplungsflächen einerseits und dem Kupplungselement andererseits so weit wie möglich vermieden werden, wenn die Sperrvorrichtung in einer der Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels mittels der Sperrvorrichtung gesperrt ist und folglich die Brennkraftmaschine mit temporär unverändertem Verdichtungsverhältnis betrieben wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtung selbstverstärkend ausgebildet ist, so dass Reibungskräfte, die zwischen den Kupplungsflächen der Kurbelwelle und der Exzenterhülse einerseits und des Kupplungselements andererseits infolge einer Ausgangsbelastung wirken, aus insbesondere geometrischen Gründen ein weitergehendes Einziehen des Kupplungselements in den schmaler werdenden Kupplungsspalt bewirken, was mit einer entsprechenden Erhöhung des Anpressdrucks einhergeht. Mittels einer solchen Kupplungsvorrichtung können mit einer relativ geringen Ausgangsbelastung relativ hohe und insbesondere sich bis zu einer schlupffreien Koppelung selbst verstärkende Reibungskräfte erzeugt werden. Die Ausgangsbelastung für das Kupplungselement einer solchen Kupplungsvorrichtung kann sich insbesondere aus einer elastischen Beaufschlagung des Kupplungselements ergeben. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich diese auch infolge von Trägheitskräften (insbesondere Gravitations- und/oder Fliehkräfte) ergeben. Ebenfalls kann vorgesehen sein, diese Ausgangsbelastung aktiv mittels eines Aktors aufzubringen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Kupplungsfläche(n) der Kurbelwelle und/oder der Exzenterhülse (und vorzugsweise auch eine oder mehrere Kupplungsflächen des Kupplungselements) in einem Winkel bezüglich derjenigen Ebene, die radial zu der Drehachse der Exzenterhülse innerhalb des Pleuelauges ausgerichtet ist, ausgerichtet sind, der ≤ 5° und vorzugsweise ca. 3° beträgt. Kleinere Winkel können bei bestimmten Ausgestaltungen der Kupplungsvorrichtung eine so große selbsthemmende Wirkung für das infolge der Reibungskräfte weiter in den Kupplungsspalt gezogenen Kupplungselements bewirken, dass dadurch ein sicheres Lösen der Kupplungsvorrichtung erheblich erschwert wird. Bei einem zu großen Winkel können dagegen relativ große radial gerichtete Kräfte erforderlich sein, um den erforderlichen Anpressdruck zwischen den Kupplungsflächen der Exzenterhülse und der Kurbelwelle und des Kupplungselements zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass das Kupplungselement elastisch beaufschlagbar ist. Darunter ist zu verstehen, dass das Kupplungselement mittels eines vorspannbaren Federelements, bei dem es sich auch um das Kupplungselement selbst handeln kann, in Richtung einer Bewegung des Kupplungselements in eine der Stellungen beaufschlagbar ist. Eine solche elastische Beaufschlagung kann dafür sorgen, dass sich das Kupplungselement selbsttätig in eine Ausgangsstellung bewegt, solange dieses nicht durch eine Maßnahme anderweitig beeinflusst wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer solchen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann dann noch vorgesehen sein, dass das Kupplungselement die erste Stellung im elastisch nicht-beaufschlagten Zustand oder infolge einer konstruktiven elastischen Beaufschlagung einnimmt, während die zweite Stellung mittels einer aktivierbaren Einstellvorrichtung einstellbar ist. Dabei kann die erste Stellung insbesondere diejenige sein, in der der Anpressdruck zwischen den Kupplungsflächen der Exzenterhülse und der Kurbelwelle einerseits und des Kupplungselements andererseits höher als derjenige in der zweiten Stellung ist. Als eine "konstruktive elastische Beaufschlagung" wird eine Vorspannung des das Kupplungselement beaufschlagenden Federelements (beziehungsweise des selbst elastisch ausgelenkten Kupplungselements) verstanden, die sich ohne aktive Beeinflussung des Federelements infolge einer konstruktiven Integration in die Kupplungsvorrichtung durch eine Abstützung von zwei Abschnitten, insbesondere Endabschnitten, des Federelements an Elementen der Kupplungsvorrichtung einstellt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Einstellvorrichtung ein verstellbares Anschlagelement für das Kupplungselement aufweist. Dies kann weiterhin bevorzugt derart ausgebildet sein, dass das Anschlagelement aktivierbar und deaktiverbar ist, wobei es im aktivierten Zustand einen Anschlag für das Kupplungselement ausbildet und im deaktivierten Zustand keinen Anschlag für das Kupplungselement ausbildet. Dazu kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass bei deaktiviertem Anschlagelement das Kupplungselement infolge eines elastisch nicht-beaufschlagten Zustands oder einer konstruktiven elastischen Beaufschlagung so weit in den Kupplungsspalt hinein bewegt ist, dass (gegebenenfalls in Verbindung mit einer selbstverstärkenden Wirkung der Kupplungsvorrichtung) die Exzenterhülse von der Kurbelwelle mitgenommen und somit gegenüber dem Pleuelauge verdreht wird, während bei einem aktivierten Anschlagelement ein auf dieses infolge der Verdrehung der Exzenterhülse auftreffender Abschnitt des Kupplungselements dazu führt, dass dieses so weit aus dem schmaler werdenden Kupplungsspalt herausgeführt wird, dass keine Mitnahme der Exzenterhülse durch die Kurbelwelle mehr erfolgt und insbesondere im Wesentlichen auch keine relevante Reibung zwischen den Kupplungsflächen der Exzenterhülse und der Kurbelwelle einerseits und des Kupplungselements andererseits mehr gegeben ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass das Kupplungselement Kupplungsflächen ausbildet, die zu den Kupplungsflächen der Kurbelwelle und der Exzenterhülse (jeweils) parallel ausgerichtet sind. Dadurch kann eine vorteilhafte kraftschlüssige Wirkung zwischen den jeweils zusammenwirkenden Kupplungsflächen erreicht werden.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein (vorzugsweise formschlüssig wirkendes) Sperrelement der Sperrvorrichtung auch als Anschlagelement der Kupplungsvorrichtung dient. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn mittels des Anschlagelements ein Lösen der Kupplungsvorrichtung (d.h. eine Verringerung oder Aufhebung der kraftschlüssigen Wirkung) erreicht werden soll, weil dies bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gleichzeitig mit einer durch die Sperrvorrichtung bewirkten Sperrung der Exzenterhülse in einer der Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels erfolgen soll. Für das Sperrelement kann demnach eine konstruktiv vorteilhafte Doppelfunktion realisiert werden.
Weiterhin kann für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass ein/das (vorzugsweise an dem Pleuel verschiebbar gelagerte) Sperrelement der Sperrvorrichtung in eine Sperrvertiefung des Pleuels oder (vorzugsweise) der Exzenterhülse bewegbar ist, wobei die Sperrvertiefung bezüglich einer Umlaufbahn des Sperrelements, auf der dieses relativ zu dem die Sperrvertiefung ausbildenden Bauteil bei einer Relativdrehung zwischen der Exzenterhülse und dem Pleuel umläuft, eine (vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 100%) größere Abmessung als der für ein Eingreifen in die Sperrvertiefung vorgesehene Teil des Sperrelements aufweist. Der Begriff "Sperrvertiefung" soll dabei auch Durchgangsöffnungen erfassen, in die das Sperrelement oder zumindest ein Teil davon zur Ausbildung einer formschlüssig wirkenden Sperre eingreifen kann. Eine solche bezüglich der Umlaufbahn des Sperrelements relativ große Sperrvertiefung kann ein sicheres Eingreifen des Sperrelements auch bei großen Relativwinkelgeschwindigkeiten zwischen dem Sperrelement und dem die Sperrvertiefung ausbildenden Bauteil gewährleisten.
Um eine Beweglichkeit zwischen dem Sperrelement beziehungsweise dem das Sperrelement tragenden Bauteil (insbesondere dem Pleuel) und dem die Sperrvertiefung ausbildenden Bauteil (insbesondere der Exzenterhülse) bei in die Sperrvertiefung eingreifendem Sperrelement trotz einer solchen relativ großen Sperrvertiefung möglichst zu vermeiden oder zu beschränken, kann vorzugsweise weiterhin ein Rücklaufsperrelement vorgesehen sein, das gemeinsam mit dem Sperrelement in die Sperrvertiefung eingreifen kann und dadurch einen Abschnitt der Sperrvertiefung, in dem das Sperrelement nach dem Eingreifen in die Sperrvertiefung nicht angeordnet ist, ausfüllen kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Sperrelement sowie das Rücklaufsperrelement, wenn diese beide in die Sperrvertiefung eingreifen, die Sperrvertiefung nicht vollständig ausfüllen, weil zwischen diesen ein Abstand ausgebildet ist. Das Sperrelement verhindert dann eine Relativdrehung der Exzenterhülse zu dem Pleuel in einer der Drehrichtungen durch ein Anschlagen an dem einen Ende (bezüglich der Erstreckung entlang der Umlaufbahn) der Sperrvertiefung und das Rücklaufsperrelement eine Relativdrehung in der anderen Drehrichtung durch ein Anschlagen an dem entsprechenden anderen Ende der Sperrvertiefung.
Um eine automatische Funktion des Rücklaufsperrelements zu erreichen kann vorgesehen sein, dass dieses auf der dem Sperrelement zugewandten Seite derart abgeschrägt ausgebildet ist, dass dieses infolge eines Kontakts mit dem Rand der Sperrvertiefung aus der Sperrvertiefung heraus bewegbar ist, wobei dieses Herausbewegen weiterhin bevorzugt zu einer (zunehmenden) Vorspannung eines Federelements führt. Diese Vorspannung des Federelements kann dann ein erneutes Eingreifen des Rücklaufsperrelement in die/eine Sperrvertiefung gewährleisten, wenn diese erneut oder eine andere Sperrvertiefung infolge einer Verdrehung der Exzenterhülse entsprechend zu dem Rücklaufsperrelement positioniert ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit aktiver Einstellvorrichtung können mindestens zwei Kupplungsvorrichtungen vorgesehen sein, wobei die zweite (insbesondere gelöste) Stellung des Kupplungselements einer ersten der Kupplungsvorrichtungen mittels der Einstellvorrichtung in einer ersten Drehausrichtung der Exzenterhülse bezüglich des Pleuels einstellbar ist und die zweite (insbesondere gelöste) Stellung des Kupplungselements einer zweiten der Kupplungsvorrichtungen mittels der Einstellvorrichtung in einer zweiten Drehausrichtung der Exzenterhülse bezüglich des Pleuels einstellbar ist. Eine solche Ausgestaltung kann ein Bewirken oder Unterbinden eines Mitnehmens der Exzenterhülse durch die Kurbelwelle in den mindestens zwei Drehausrichtungen oder aus diesen Drehausrichtungen heraus vereinfachen und insbesondere durch eine vergleichsweise einfach ausgestaltete Sperr- und/oder Einstellvorrichtung ermöglichen.
Insbesondere kann dadurch auch ermöglicht werden, dass ein (gegebenenfalls als Anschlagelement dienendes) erstes Sperrelement der Sperrvorrichtung, mittels dessen die Exzenterhülse in einer ersten Drehausrichtung bezüglich des Pleuels sperrbar ist, und ein (gegebenenfalls als Anschlagelement dienendes) zweites Sperrelement der Sperrvorrichtung, mittels dessen die Exzenterhülse in einer zweiten Drehausrichtung bezüglich des Pleuels sperrbar ist, mittels eines gemeinsamen Betätigungselements alternierend betätigbar sind.
Das Betätigungselement kann dabei vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass dieses um einen Schwenkbolzen schwenkbar ist, der Teil einer Verschraubung ist, mit der zwei das Pleuelauge ausbildende Teile des Pleuels verbunden sind. Das Betätigungselement wäre dann Teil des Pleuels und würde im Betrieb der Brennkraftmaschine mit diesem mitbewegt werden. Durch eine Nutzung einer Verschraubung, mit der ein in bekannter Weise zweigeteiltes Pleuelauge zusammengehalten ist, als Drehlagerelement für das Betätigungselement kann eine Zusatzmasse, die sich aus der Integration des Betätigungselements in den Pleuel ergibt, gering gehalten werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass das Betätigungselement auch als Anschlagelement der Kupplungsvorrichtungen dient, mittels dessen die Kupplungselemente vorzugsweise in die jeweils einem gelösten Zustand der dazugehörigen Kupplungsvorrichtung entsprechende Stellung bewegt werden können. Diese Doppelfunktion für das Betätigungselement kann zu einer relativ einfachen konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine führen.
Insbesondere zum Erreichen einer möglichst sicheren Sperrung der Exzenterhülse in einer der Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels kann vorgesehen sein, dass das Betätigungselement in zwei Betätigungsendstellungen mittels einer Rastsicherung lagesicherbar ist. Diese Rastsicherung ist dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass diese durch eine aktive Einwirkung mit dem Ziel eines Umschaltens des Betätigungselements durch ausschließlich eine Krafteinwirkung lösbar ist, hierzu jedoch Kräfte erforderlich sind, die in einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine nicht in der entsprechenden Richtung auf das Betätigungselement einwirken.
Eine Betätigung des Betätigungselements kann vorzugsweise mittels einer Betätigungsschiene erfolgen. Als "Betätigungsschiene" wird dabei ein Führungselement verstanden, das derart positioniert oder positionierbar ist, dass das Betätigungselement bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle zumindest abschnittsweise an diesem entlang bewegt wird, wobei dieses zur Betätigung des Betätigungselements von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist. Nach einem solchen Bewegen der Betätigungsschiene führt ein sich anschließendes Entlangbewegen des Betätigungselements zu einem Kontakt mit einer Führungsfläche der Betätigungsschiene, wodurch das Betätigungselement verschoben oder verschwenkt und dadurch umgeschaltet wird. Die Betätigungsschiene kann dazu vorzugsweise an einem Gehäuse der Brennkraftmaschine befestigt sein oder wird zumindest infolge einer andersartigen Befestigung nicht mit der Kurbelwelle oder dem Pleuel mitbewegt, so dass sich durch die Betätigungsschiene keine Erhöhung von für den Betrieb der Brennkraftmaschine bewegten Massen ergibt. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Betätigungsschiene schwenkbar an insbesondere einem Gehäuse der Brennkraftmaschine befestigt ist, weil dadurch gegenüber einer ebenfalls möglichen Ausgestaltung mit einer verschiebbar an insbesondere dem Gehäuse befestigten Betätigungsschiene eine vereinfachte Betätigung mittels eines der Betätigungsschiene zugeordneten (beispielsweise hydraulischen, pneumatischen, elektromotorischen oder elektromagnetischen) Aktuators ermöglicht werden kann.
Für eine möglichst stoßfreie Betätigung des Betätigungselements durch die Betätigungsschiene kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Betätigungsschiene eine beidseitig bogenförmig zulaufende (d.h. schmaler werdenden) Führungsnut für das Betätigungselement ausbildet. Dabei kann die Bogenform vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass die Bewegungsrichtung des Betätigungselements, solange dieses entlang der Betätigungsschiene bewegt wird, jederzeit möglichst tangential dazu ausgerichtet ist.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehene Rastsicherung für das Betätigungselement derart ausgebildet ist, dass das Betätigungselement die Betätigungsschiene in den Betätigungsendstellungen nicht kontaktiert. Reibungsverluste infolge eines zyklischen Schleifens des Betätigungselements entlang der Führungsschiene, wenn sich das Betätigungselement in einer seiner Betätigungsendstellungen befindet (was immer dann der Fall sein kann, wenn gerade keine Umschaltung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine erfolgt, und somit während des größten Teils der Betriebszeit der Brennkraftmaschine), können dadurch vermieden werden, was sich nicht nur positiv auf den Verschleiß des Betätigungselements und der Betätigungsschiene sondern auch auf das akustische Verhalten der Brennkraftmaschine auswirken kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einer mit mindestens zwei Kupplungsvorrichtungen versehenen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass

in der ersten Drehausrichtung der Exzenterhülse bezüglich des Pleuels, in der die zweite Stellung des Kupplungselements der ersten Kupplungsvorrichtung mittels der dazugehörigen Einstellvorrichtung eingestellt ist, die zweite Stellung des Kupplungselements der zweiten Kupplungsvorrichtung mittels eines passiven Einstellelements eingestellt ist und
in der zweiten Drehausrichtung der Exzenterhülse bezüglich des Pleuels, in der die zweite Stellung des Kupplungselements der zweiten Kupplungsvorrichtung mittels der dazugehörigen Einstellvorrichtung eingestellt ist, die zweite Stellung des Kupplungselements der ersten Kupplungsvorrichtung mittels eines passiven Einstellelements eingestellt ist.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit (mindestens) zwei Sperrelementen, die von einem gemeinsamen Betätigungselement alternierend betätigbar sind, kann zudem vorgesehen sein, dass

in einer der Drehausrichtungen der Exzenterhülse relativ zu dem Pleuel das zweite Sperrelement mittels des Betätigungselements in einer Lösestellung gehalten wird, während das erste Sperrelement mittels eines zwischen den Sperrelementen abgestützten Federelements in eine (die Exzenterhülse in einer der Drehausrichtungen sperrenden) Sperrposition beaufschlagt ist und
in einer/der anderen Drehausrichtung der Exzenterhülse relativ zu dem Pleuel das erste Sperrelement mittels des Betätigungselements in einer Lösestellung gehalten wird, während das zweite Sperrelement mittels des Federelements in eine Sperrposition beaufschlagt ist.

Die unbestimmten Artikel ("ein", "eine", "einer" und "eines"), insbesondere in den
Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1:: einen teilweisen perspektivischen Querschnitt durch die relevanten Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2:: in isolierter Darstellung die für eine Veränderung der Verdichtung der Brennkraftmaschine relevanten Komponenten in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 3:: die Komponenten gemäß der Fig. 2 in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
Fig. 4:: die Komponenten gemäß den Fig. 2 und 3 (jedoch ohne Betätigungsschiene der Brennkraftmaschine) in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
Fig. 5:: die Komponenten gemäß der Fig. 4 in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
Fig. 6:: die Komponenten gemäß den Fig. 4 und 5 in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
Fig. 7:: in einem Ausschnitt eine Ansicht von unten auf die Komponenten gemäß den Fig. 4 bis 6 mit einem Betätigungselement der Brennkraftmaschine in einer ersten Betätigungsendstellung;
Fig. 8:: einen Radialschnitt durch einen Abschnitt einer Kurbelwelle, eines Pleuels, einer Exzenterhülse, einer Einstell- und einer Sperrvorrichtung sowie zwei Kupplungsvorrichtungen der Brennkraftmaschine, wobei sich ein erstes Sperrelement der Sperrvorrichtung in einer Sperrstellung und ein zweites Sperrelement der Sperrvorrichtung in einer Lösestellung befindet;
Fig. 9:: eine Ansicht gemäß der Fig. 7 mit dem Betätigungselement in einer zweiten Betätigungsendstellung;
Fig. 10:: eine Ansicht gemäß der Fig. 8, wobei sich nunmehr jedoch das erste Sperrelement in einer Lösestellung und das zweite Sperrelement in einer Zwischenstellung befindet;
Fig. 11:: eine Ansicht gemäß der Fig. 10, wobei sich nunmehr jedoch das zweite Sperrelement in einer Sperrstellung befindet;
Fig. 12:: einen Querschnitt durch die Komponenten gemäß den Fig. 7 bis 11;
Fig. 13:: in isolierter Darstellung das Betätigungselement der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 14:: einen teilweisen perspektivischen Querschnitt durch die relevanten Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 15:: den Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 14 in einer Seitenansicht;
Fig. 16:: den in der Fig. 15 mit XVI gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter und teilweise geschnittener Darstellung;
Fig. 17:: in isolierter Darstellung die für eine Veränderung der Verdichtung der Brennkraftmaschine relevanten Komponenten (mit Ausnahme der Kurbelwelle) der Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 14 in einer perspektivischen Ansicht; und
Fig. 18:: die Komponenten gemäß der Fig. 17 in einer weiteren perspektivischen Ansicht.

Die Fig. 1 bis 13 zeigen eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Otto- oder Dieselmotor, in einer ersten Ausführungsform. Diese umfasst gemäß der Fig. 1 ein Zylinderkurbelgehäuse 10, innerhalb dessen ein oder mehrere Zylinder 12 ausgebildet sind. An dem in der Fig. 1 oberen Ende des Zylinderkurbelgehäuses 10 schließt sich an dieses ein nicht dargestellter Zylinderkopf an, während das untere Ende des Zylinderkurbelgehäuses 10 zur Verbindung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Ölwanne vorgesehen ist. Ein eine Kurbelwelle 14 der Brennkraftmaschine aufnehmender Kurbelwellenraum 16 wäre dann im Wesentlichen vollumfänglich geschlossen ausgebildet.
Innerhalb des (beziehungsweise jedes) Zylinders 12 ist ein Kolben 18 axial (bezüglich einer Längsachse 20 des Zylinders 12 und des Kolbens 18) beweglich gelagert. Eine Oberseite des Kolbens 18, der sogenannte Kolbenboden, begrenzt mit dem Zylinderkopf einen Brennraum, in dem während eines Arbeitstaktes im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Frischgas-Gemisch verbrannt wird, um Arbeit zu verrichten. Eine infolge der Verbrennung erfolgende Druckerhöhung innerhalb des Brennraums führt in bekannter Weise zu einer nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens 18, die mittels eines Pleuels 22 in eine Drehbewegung der drehbar innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses 10 gelagerten Kurbelwelle 14 übersetzt wird. Hierzu ist das obere Ende des Pleuels 22 schwenkbar an dem Kolben 18 gelagert, wozu der Pleuel 22 ein erstes, sogenanntes kleines Pleuelauge 38 (vgl. Fig. 15) ausbildet, das einen Kolbenbolzen 24 des Kolbens 18 drehbar aufnimmt. Weiterhin ist das untere Ende des Pleuels 22 mit einem dort ebenfalls ausgebildeten, sogenannten großen Pleuelauge 26 (vgl. beispielsweise Fig. 2) drehbar an einem dezentral bezüglich einer Rotationsachse 28 der Kurbelwelle 14 angeordneten Kurbelzapfen 30 gelagert (vgl. insbesondere Fig. 15), so dass die auf den Kolbenboden wirkenden Druckkräfte, die über den Pleuel 22 auf den Kurbelzapfen 30 übertragen werden, ein Drehmoment um die Rotationsachse 28 der Kurbelwelle 14 erzeugen.
Wie sich dies insbesondere aus der Fig. 15 ergibt, umfasst eine solche Kurbelwelle 14 zylindrische Lagerabschnitte 32, die bezüglich der Rotationsachse 28 der Kurbelwelle 14 koaxial angeordnet sind und zum einen der Verbindung benachbarter Kurbelzapfen 30 (bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine) miteinander und zum anderen zumindest teilweise der drehbaren Lagerung der Kurbelwelle 14 innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses 10 dienen. Die innerhalb der großen Pleuelaugen 26 der Pleuel 22 drehbar gelagerten Kurbelzapfen 30 sind beidseitig von scheibenförmigen Abschnitten der Kurbelwelle begrenzt, die zum einen die sogenannten Kurbelwangen 34 ausbilden, die die Kurbelzapfen 30 mit den Lagerabschnitten 32 verbinden, und die zum anderen den Kurbelwangen 34 bezüglich der Rotationsachse 28 radial gegenüberliegende Ausgleichsmassen 36 ausbilden, wodurch freie Massenkräfte und Massenmomente bei der Rotation der Kurbelwelle 14 möglichst vermieden werden sollen.
Um das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine, d.h. das Verhältnis des Volumens des Brennraums im unteren Totpunkt des Kolbens 18 zu dem Volumen im oberen Totpunkt des Kolbens 18, in zwei Stufen verändern zu können, ist vorgesehen, den/die Kurbelzapfen 30 unter Zwischenschaltung (jeweils) einer Exzenterhülse 40 innerhalb des/der großen Pleuelauges/Pleuelaugen 26 zu lagern. Die (jede) Exzenterhülse 40 umfasst einen rohrförmigen Lagerungsabschnitt 42, dessen zylindrische Innenfläche als Gleitfläche für die Drehlagerung des darin aufgenommenen Kurbelzapfens 30 und dessen zylindrische Außenfläche als Gleitfläche für die Drehlagerung der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 des dazugehörigen Pleuels 22 dient. Die Innen- und die Außenfläche des Lagerungsabschnitts 42 sind dabei nicht koaxial sondern radial um eine definierte Distanz zueinander versetzt, wodurch sich der Abstand zwischen der Schwenk- beziehungsweise Rotationsachse 44 des kleinen Pleuelauges zu der Rotationsachse 46 der zylindrischen Innenfläche der Exzenterhülse und damit der Abstand zwischen dem Kolben 18 und dem dazugehörigen Kurbelzapfen 30 in Abhängigkeit von der Drehausrichtung der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 ändert.
An den beiden längsaxialen Enden geht der rohrförmige Lagerungsabschnitt 42 der Exzenterhülse 40 in jeweils einen Begrenzungsabschnitt 48 über, der jeweils von einer Ringscheibe ausgebildet ist, die sich ausgehend von dem Lagerungsabschnitt 42 radial nach außen erstreckt und dadurch eine Beweglichkeit der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 in axialer Richtung bezüglich der Längsachse 50 des großen Pleuelauges 26 begrenzt.
Mittels einer Sperrvorrichtung 52 ist die Drehbarkeit der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 des Pleuels 22 in zwei definierten Drehausrichtungen sperrbar, wobei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, dass die beiden Drehausrichtungen dem kleinsten sowie dem größten Abstand zwischen dem Kolben 18 und dem dazugehörigen Kurbelzapfen 30 entsprechen.
Wie sich insbesondere aus den Fig. 8 bis 11 ergibt, umfasst die Sperrvorrichtung 52 zwei zueinander koaxial ausgerichtete, innerhalb einer zylindrischen Aufnahmeöffnung 54 des Pleuels 22 verschiebbar angeordnete Sperrelemente 56. Dabei ist die Aufnahmeöffnung 54 an dem äußersten (das große Pleuelauge 26 ausbildenden) Ende des Pleuels 22 angeordnet und somit in Verlängerung eines Pleuelschafts 58 des Pleuels 22 positioniert. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Längsachse 60 des Pleuels 22 die Aufnahmeöffnung 54 durchläuft und insbesondere auch die Längsachse der Aufnahmeöffnung 54 kreuzt. Zwischen den zwei Sperrelementen 56 ist ein vorgespanntes Federelement 62 in Form einer zylindrischen Schraubenfeder angeordnet, das die beiden Sperrelemente 56 voneinander weg und somit jeweils in Richtung des dazugehörigen Endes der Aufnahmeöffnung 54 beziehungsweise in Richtung des daran angrenzenden Begrenzungsabschnitts 48 der Exzenterhülse 40 beaufschlagt.
Die axiale Beweglichkeit der Sperrelemente 56 innerhalb der Aufnahmeöffnung 54 ist in Abhängigkeit von der Stellung eines Betätigungselements 64 variabel begrenzt. Dazu greift jeweils ein Mitnahmevorsprung 66 des in der Fig. 13 isoliert dargestellten Betätigungselements 64 in eine (bezüglich der Längsachse der Aufnahmeöffnung 54 beziehungsweise der Bewegungsachse der Sperrelemente 56) umlaufende Mitnahmenut 68 der Sperrelemente 56 ein, wodurch zum einen eine Beweglichkeit der Sperrelemente 56 innerhalb der Aufnahmeöffnung 54 begrenzt und diese zum anderen für eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses, in dem die Brennkraftmaschine betrieben werden kann, durch ein Umschalten des Betätigungselements 64 zwischen zwei Betätigungsendstellungen innerhalb der Aufnahmeöffnung 54 verschoben werden können.
Die Fig. 7 und 8 zeigen dabei das Betätigungselement 64 in einer ersten Betätigungsendstellung, in der zudem ein erstes der Sperrelemente 56, das in den Fig. 8, 10 und 11 rechts dargestellt ist, in eine als Durchgangsöffnung (entsprechend der Ausgestaltung gemäß den Fig. 7 bis 11) oder randseitige Ausnehmung (entsprechend der Ausgestaltung gemäß den Fig. 1 bis 6) in dem dazugehörigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 ausgebildete Sperrvertiefung 70 eingreifen kann, sofern die Exzenterhülse 40 sich in der entsprechenden Drehausrichtung bezüglich des Pleuels 22 beziehungsweise des großen Pleuelauges 26 befindet. Die Fig. 9 und 11 zeigen dagegen das Betätigungselement 64 in der zweiten Betätigungsendstellung, in der das zweite der Sperrelemente 56, das in der Fig. 8, 10 und 11 links dargestellt ist, in eine ebensolche in dem dazugehörigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 ausgebildete Sperrvertiefung 70 eingreifen kann, wenn die Exzenterhülse 40 sich in der dazugehörigen Drehausrichtung, die bezüglich der ersten Drehausrichtung der Exzenterhülse 40 (gemäß den Fig. 8 und 10) um ca. 180° versetzt ist, befindet. In diesen zwei Drehausrichtungen der Exzenterhülse 40, die mittels der Sperrvorrichtung 52 sperrbar sind, unterscheiden sich die Abstände zwischen dem Kolben 18 und dem dazugehörigen Kurbelzapfen 30 infolge der exzentrischen Ausbildung der Exzenterhülse 40. Diese unterschiedlichen Abstände werden auch aus einem Vergleich der Fig. 8 und 11 ersichtlich, aus denen die unterschiedlichen Wandstärken des rohrförmigen Lagerungsabschnitt 42 der Exzenterhülse 40 in dem Abschnitt zwischen dem Kurbelzapfen 30 und dem die Sperrvorrichtung 52 aufnehmenden Abschnitt des Pleuels 22 ersichtlich sind. In der Drehausrichtung gemäß der Fig. 8 ist die Wandstärke des entsprechenden Bereichs des Lagerungsabschnitt 42 der Exzenterhülse 40 größer als in der Drehausrichtung gemäß der Fig. 11, wodurch der Abstand zwischen dem Kurbelzapfen 30 und dem Kolben 22 in der Drehausrichtung gemäß der Fig. 8 kleiner als derjenige in der Drehausrichtung gemäß der Fig. 11 ist.
Die Fig. 10 zeigt die Stellungen der Sperrelemente 56 nach einem Umschalten des Betätigungselements 64 von der u.a. in der Fig. 7 dargestellten ersten Betätigungsendstellung in die u.a. in der Fig. 9 dargestellte zweite Betätigungsendstellung, jedoch noch bevor die Exzenterhülse 40 von der Drehausrichtung gemäß der Fig. 8 in die Drehausrichtung gemäß der Fig. 11 gedreht worden ist. In der Fig. 10 ist gezeigt, dass sich das erste, rechts dargestellte Sperrelement 56 in einer Lösestellung befindet, in der dieses außer Eingriff mit der dazugehörigen Sperrvertiefung 70 der Exzenterhülse 40 und zudem in einem definierten Abstand bezüglich des dazugehörigen Begrenzungsabschnitts 48 der Exzenterhülse 40 angeordnet ist. Ein Bewegen des ersten, rechts dargestellten Sperrelements 56 ausgehend von der Sperrstellung gemäß der Fig. 8 in die Lösestellung gemäß der Fig. 10 wird durch ein Umschalten des Betätigungselements 64 ausgehend von einer ersten Betätigungsendstellung gemäß der Fig. 7 in die zweite Betätigungsendstellung gemäß der Fig. 9 erreicht, wobei dieses um eine Schwenkachse 72 geschwenkt wird. Dabei nimmt der entsprechende Mitnahmevorsprung 66 des Betätigungselements 64 infolge eines Kontakts mit der innen liegenden Begrenzungswand der Mitnahmenut 68 das erste Sperrelement 56 mit und verschiebt dieses innerhalb der Aufnahmeöffnung 64 in Richtung ihrer längsaxialen Mitte. Gleichzeitig wird dem zweiten, links dargestellten Sperrelement 56 die Möglichkeit gegeben, sich weiter in Richtung des entsprechenden Endes der Aufnahmeöffnung 64 zu bewegen, wobei diese Bewegung durch die Vorspannung des zwischen den Sperrelementen 56 abgestützten und durch die Bewegung des ersten Sperrelements 56 in Richtung der längsaxialen Mitte der Aufnahmeöffnung 64 weiter vorgespannten Federelements 62 bewirkt wird. Solange die Exzenterhülse 40 noch nicht in die in der Fig. 11 dargestellte zweite Drehausrichtung gedreht worden ist, wird diese Beweglichkeit des zweiten Sperrelements 56 infolge eines Kontakts mit der Innenseite des dazugehörigen Begrenzungsabschnitts 48 der Exzenterhülse 40 begrenzt. Erst kurz vor dem Erreichen der zweiten Drehausrichtung kann das zweite Sperrelement 56 in die dann entsprechend positionierte dazugehörige Sperrvertiefung 70 eingreifen und somit in seine in der Fig. 11 dargestellte Sperrstellung bewegt werden.
Bei einem erneuten Umschalten des Betätigungselements 64, dann von der u.a. in der Fig. 9 dargestellten zweiten Betätigungsendstellung in die u.a. in der Fig. 7 dargestellte erste Betätigungsendstellung, wird in entsprechend umgekehrter Reihenfolge das zweite Sperrelement 56 in die dazugehörige Lösestellung bewegt und das erste Sperrelement 56 freigegeben, wodurch dieses wiederum in die dazugehörige Sperrvertiefung 70 eingreifen kann, sobald die Exzenterhülse erneut um ca. 180° innerhalb des großen Pleuelauges 26 gedreht worden ist.
Der Pleuel 22 umfasst zwei miteinander verschraubte Teile, einen das kleine Pleuelauge 38, den Pleuelschaft 58 sowie eine Hälfte des großen Pleuelauges 26 ausbildenden Pleuelgrundkörper 74 sowie einen die zweite Hälfte des großen Pleuelauges 26 ausbildenden und die Sperrvorrichtung 52 integrierenden Pleueldeckel 76. Diese Zweiteiligkeit des Pleuels 22 im Bereich des großen Pleuelauges 26 ermöglicht die Verbindung des Pleuels 22 mit dem entsprechenden Lagerzapfen 30 der einteiligen Kurbelwelle 14 im Rahmen der Montage der Brennkraftmaschine. Die Trennebene zwischen dem Pleuelgrundkörper 74 und dem Pleueldeckel 76 verläuft senkrecht bezüglich der Längsachse 60 des Pleuels 22 (beziehungsweise des Pleuelschafts 58). Weiterhin verläuft auch die Rotationsachse 50 der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 innerhalb dieser Trennebene, wodurch sich eine radiale Ausrichtung dieser Trennebene bezüglich des großen Pleuelauges 26 ergibt. Wie es insbesondere in der Fig. 12 ersichtlich ist, wird die Schraube einer der Verschraubungen 78 zwischen dem Pleuelgrundkörper 74 und dem Pleueldeckel 76 als Schwenkbolzen für das Betätigungselement 64 genutzt. Die Schwenkachse 72, um die das Betätigungselement 64 schwenkbar ist, um zwischen dessen beiden Betätigungsendstellungen hin und her bewegt zu werden, entspricht somit der Längsachse der Schraube dieser Verschraubung 78.
Eine Sicherung des Betätigungselements 64 in seinen beiden Betätigungsendstellungen erfolgt mittels einer Rastsicherung 80, die gemäß den Fig. 12 und 13 von einer von einem Federelement 82 belastet in einer Führungsöffnung des Pleuels 22 beziehungsweise des Pleueldeckels 76 beweglich geführten Rastkugel 84 in Verbindung mit einer von zwei nebeneinander angeordneten, schalenförmigen Rastvertiefungen 86, die in den angrenzenden Abschnitt des Betätigungselements 64 integriert sind, ausgebildet ist. Beim Umschalten des Betätigungselements 64 zwischen seinen Betätigungsendstellungen muss jeweils die Rastkugel 84 unter weiterer Vorspannung des dazugehörigen Federelements 82 angehoben werden, um den zwischen den beiden Rastvertiefungen 86 angeordneten Steg 88 zu überwinden. Dazu ist ein Umschaltmoment (um die Schwenkachse 72 des Betätigungselements 64) erforderlich, das durch üblicherweise im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Kräfte nicht hervorgerufen wird. Ein ungewolltes, selbsttätiges Umschalten des Betätigungselements 64 kann somit durch die Rastsicherung 80 vermieden werden. Andererseits ist für ein Umschalten lediglich die Aufbringung eines entsprechenden Umschaltmoments auf das Betätigungselement 64 erforderlich, ohne dass eine formschlüssig wirkende Sperre gelöst werden müsste.
Eine Betätigung des Betätigungselements 64 erfolgt mittels einer schwenkbar an dem Zylinderkurbelgehäuse 10 befestigten Betätigungsschiene 90, wie dies in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Dabei ist die Betätigungsschiene 90 in der Fig. 1 in der Art einer Explosionsdarstellung beabstandet von der Verbindungsstelle an dem Zylinderkurbelgehäuse 10 und somit von seiner eigentlichen Funktionsstellung innerhalb des Kurbelwellenraums 16 dargestellt. In seiner tatsächlichen Funktionsstellung (vgl. Fig. 2 und 3) befindet sich die Betätigungsschiene 90 so nah an der Rotationsachse 28 der Kurbelwelle 14, dass das mit dem Pleuel 22 verbundene Betätigungselement 64 mit einem von diesem ausgebildeten Führungselement 92 in der dem unteren Totpunkt des Kolbens 18 entsprechenden Stellung und zumindest über einen definierten Winkelbereich vor dem Erreichen dieser Stellung innerhalb einer von zwei Seitenwänden der Betätigungsschiene ausgebildeten Führungsnut 94 angeordnet ist. Die Breite der Führungsnut 94 nimmt dabei ausgehend von einem Einlauf, d.h. demjenigen Ende, an dem das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 in die Führungsnut 94 im Rahmen jeder Umdrehung der Kurbelwelle 14 eintritt, kontinuierlich ab. Zudem ist die Längserstreckung der Betätigungsschiene 90 an die Umlaufbahn des Führungselements 92 des Betätigungselements 64, die dieses infolge einer Umdrehung der Kurbelwelle 14 beschreibt, mittels eines gekrümmten Verlaufs angepasst, so dass insbesondere vorgesehen sein kann, dass ein Abstand, den die Unterseite des Führungselements 92 zu dem Nutgrund 96 der Führungsnut 94 der Betätigungsschiene 90 einhält, über den Verlauf der Bewegung des Führungselements 92 innerhalb der Führungsnut 94 im Wesentlichen gleich bleibt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 den Nutgrund 96 der Führungsnut 94 zu keiner Zeit kontaktiert.
Befindet sich das Betätigungselement 64 in einer seiner Betätigungsendstellungen und die Betätigungsschiene 90 in der dazugehörigen Funktionsstellung, wird das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 14 ohne Kontakt mit einer der von den Seitenwänden der Betätigungsschiene 90 ausgebildeten innenseitigen Führungsflächen 98 der Führungsnut 94 der Betätigungsschiene 90 durch die Führungsnut 94 hindurch geführt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Führungselement 92 zumindest am Ende der Führungsnut 94 im Wesentlichen exakt mittig zwischen den zwei Seitenwänden geführt ist. Wird dagegen ausgehend von einer solchen Ausgangsstellung die Betätigungsschiene 90 mittels eines nicht dargestellten, von einer ebenfalls nicht dargestellten Motorsteuerung der Brennkraftmaschine angesteuerten Aktors in die entsprechende andere Funktionsstellung geschwenkt, so kontaktiert das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 beim nächsten Eintreten in die Führungsnut 94 die durch das Betätigen der Betätigungsschiene 90 in die Umlaufbahn des Führungselements 92 gerückte Führungsfläche 98, so dass das Führungselement 92 entlang dieser Führungsfläche 98 geführt und dabei das Betätigungselement 64 infolge der schmaler werdenden Führungsnut 94 in Richtung seiner anderen Betätigungsendstellung bewegt beziehungsweise geschwenkt wird. Dabei ist die durch den Kontakt mit der entsprechenden Führungsfläche 98 bewirkte Schwenkbewegung des Betätigungselements 64 lediglich so groß, dass die Rastkugel 84 der Rastsicherung 80 über den zwischen den beiden Rastvertiefungen 86 ausgebildeten Steg 88 bewegt wird. Der letzte, relativ kleine Abschnitt der Schwenkbewegung des Betätigungselements 64 in seine dann vorgesehene Betätigungsendstellung wird durch das Einrasten der Rastkugel 84 in die entsprechende Rastvertiefung 88 erreicht. Dadurch kann bewirkt werden, dass sich das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 noch ein Stück weit von der die Umschaltung bewirkenden Führungsfläche 98 der Betätigungsschiene 90 entfernt und somit in dem anschließenden Betrieb der Brennkraftmaschine kein Kontakt zu dieser beziehungsweise zu beiden Seitenwänden der Betätigungsschiene 90 gegeben ist.
Die Führungsflächen 98 der Betätigungsschiene 920 sind derart gekrümmt ausgebildet, dass das Führungselement 92 des Betätigungselements 64 nach einem Umschalten der Betätigungsschiene 90 in tangentialer Richtung auf die entsprechende Führungsfläche 98 aufläuft, wodurch ein Umschalten des Betätigungselements 64 mit einem möglichst gleichmäßig ansteigenden Kraftverlauf erreicht werden kann. Dies kann sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der beteiligten Komponenten sowie auf das akustische Verhalten der Brennkraftmaschine auswirken.
Um ein sicheres und schnelles Verdrehen der Exzenterhülse 40 zwischen den beiden durch die Sperrvorrichtung 52 sperrbaren Drehausrichtungen zu ermöglichen, nachdem das Betätigungselement 64 mittels der Betätigungsschiene 90 von einer der Betätigungsendstellungen in die andere der Betätigungsendstellungen geschwenkt wurde, umfasst die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zwei kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtungen 100, mittels derer die Exzenterhülse 40 temporär an die Kurbelwelle 14 koppelbar ist, um die Exzenterhülse 40 relativ zu dem Pleuel 22 beziehungsweise dem großen Pleuelauge 26 zu verdrehen. Jede der Kupplungsvorrichtungen 100 umfasst ein sichelförmiges beziehungsweise teilringförmiges Kupplungselement 102, das auf der Außenseite jeweils eines der Begrenzungsabschnitte 48 der Exzenterhülse 40 und damit in einem zwischen der Exzenterhülse 40 und der angrenzenden Kurbelwange 34 der Kurbelwelle 14 ausgebildeten Kupplungsspalt 104 angeordnet ist. Dabei ist ein Endabschnitt des Kupplungselements 102 drehbar in dem dazugehörigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 befestigt und das Kupplungselement erstreckt sich ausgehend von dieser Drehlagerung in der Drehrichtung 106 der Exzenterhülse, die diese im Betrieb der Brennkraftmaschine (und bei einer Sperrung in einer der Drehausrichtungen) relativ zu den dazugehörigen Kurbelwangen aufweist (vgl. Fig. 2 und 3).
Wie sich beispielsweise aus den Fig. 8, 10 und 11 ergibt, nimmt die Spaltbreite des Kupplungsspalts 104 in radialer Richtung nach außen hin ab, was durch eine entsprechende Schrägstellung der als Kupplungsflächen dienenden (der Exzenterhülse 40 zugewandten) Innenseiten der Kurbelwangen 34 um einen Winkel von ca. 3° gegenüber einer Ausrichtung, die senkrecht zu der Rotationsachse 50 der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 oder auch der Rotationsachse 46 des Kurbelzapfens 30 innerhalb der Exzenterhülse 40 erreicht wird. Der Querschnitt jedes der Kupplungselemente102 ist entsprechend zulaufend beziehungsweise keilförmig ausgebildet, so dass sich eine parallele Ausrichtung der Kupplungsflächen der Kupplungselemente 102 zu den von den Kurbelwangen 34 ausgebildeten Kupplungsflächen ergibt. Die Kupplungselemente 102 beider Kupplungsvorrichtungen 100 sind jeweils mittels eines vorgespannten Federelements 108 in Richtung radial nach außen und somit in den schmaler werdenden Kupplungsspalt 104 hinein beaufschlagt. Diese Federbeaufschlagung führt zu Ausgangsbelastungen für die Kupplungsvorrichtungen 100, durch die die Kupplungsflächen der Kupplungselemente 102 an die Kupplungsflächen der Kurbelwangen 34 und der Exzenterhülse 40 (die von den Außenseiten der Begrenzungsabschnitte 48 der Exzenterhülse 40 gebildet werden) gedrückt werden. Die so erzeugten Ausgangsbelastungen führen zu Reibungskräften, die einer Relativbewegung zwischen der Exzenterhülse 40 und den Kurbelwangen 34 entgegengesetzt sind und deren Wirkungsrichtung derart ist, dass diese zusätzlich ein Moment um die jeweilige Drehlagerung der Kupplungselemente 102 in Richtung eines weitergehenden Schwenkens nach außen und somit ein zusätzliches Einziehen in den jeweiligen schmaler werdenden Kupplungsspalt 104 bewirken. Dadurch wird eine Selbstverstärkung der kraftschlüssigen Wirkungen der Kupplungsvorrichtungen 100 in dem jeweiligen geschlossenen Zustand erreicht.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine und bei einer Sperrung der Exzenterhülse 40 in einer der Drehausrichtungen sind die Kupplungsvorrichtungen 100 in der Regel geöffnet, indem die Kupplungselemente 102 durch jeweils einen Kontakt mit einem Anschlagelement 110 soweit unter weiterer Vorspannung des jeweiligen Federelements 108 nach innen verschwenkt sind, dass ein möglichst geringer Kraftschluss zwischen zumindest den Kupplungsflächen der Kurbelwangen 34 sowie den dazu benachbarten Kupplungsflächen der Kupplungselemente 102 gegeben ist. Dabei wird jeweils dasjenige Kupplungselement 102, das an demjenigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 drehbar gelagert ist, in das infolge der entsprechend gewählten Betätigungsendstellung des Betätigungselements 64 das dazugehörige Sperrelement 56 in die Sperrvertiefung 70 eingreift, mittels eines dazugehörigen Anschlagelements 110 des Betätigungselements 64 nach innen ausgelenkt wird, während ein Auslenken des jeweils anderen Kupplungselements 102 mittels eines passiven, unbeweglichen Anschlagelements 110 erfolgt.
Wird nun das Betätigungselement 64 umgeschaltet, wird das zuvor von diesem ausgelenkt gehaltene Kupplungselement 102 freigegeben, so dass dieses infolge der Federbelastung nach außen und somit in den dazugehörigen schmaler werdenden Kupplungsspalt104 schwenkt, wodurch zumindest die entsprechende Kupplungsvorrichtung 100 geschlossen wird. Diese geschlossene Kupplungsvorrichtung 100 bewirkt dann zunächst alleine ein Mitdrehen der Exzenterhülse 40 mit den relativ zu dem großen Pleuelauge 26 drehenden Kurbelwangen 34. Dieses Mitdrehen bewirkt ein Lösen des anderen Kupplungselements 102 von dem auslenkenden Kontakt mit dem passiven Anschlagelement 110, so das anschließend auch dieses Kupplungselement 102 infolge der Federbelastung in den schmaler werdenden Kupplungsspalt 104 gedrückt und damit auch diese Kupplungsvorrichtung 100 geschlossen wird. Für den Rest der Drehung der Exzenterhülse um 180° bis in die andere Drehausrichtung bewirken dann beide Kupplungsvorrichtungen 100 die kraftschlüssige Kopplung der Exzenterhülse 40 an die dazugehörigen Kurbelwangen 34 der Kurbelwelle 14. Kurz vor dem Erreichen der neuen Drehausrichtung der Exzenterhülse 40 greift dann das andere Sperrelement 56, wie bereits anhand der Figuren 10 und 11 beschrieben, in die Sperrvertiefung 70 des dazugehörigen Begrenzungsabschnitts 48 der Exzenterhülse 40 ein und die Kupplungselemente 102 beider Kupplungsvorrichtungen 100 laufen dann auf die entsprechenden Anschlagelemente 110, zum einen das infolge der Umschaltung des Betätigungselements 64 ausgerückte zweite Anschlagelement 110 des Betätigungselements 64 und zum anderen wiederum auf das die Exzenterhülse 40 beidseitig überragende passive Anschlagelement 110 auf, wodurch diese wiederum unter erneuter Vorspannung der Federelemente 108 nach innen verschwenkt und damit die Kupplungsvorrichtungen 100 gelöst werden. Die Brennkraftmaschine kann dann mit verändertem Verdichtungsverhältnis weiter betrieben werden, wobei die Exzenterhülse 40 in der neuen Drehausrichtung gegenüber dem Pleuel 22 gesperrt ist und infolge der gelösten Kupplungsvorrichtungen 100 wieder weitgehend reibungsfrei relativ zu den Kurbelwangen 34 drehbar ist.
Infolge der hohen Drehzahlen, mit denen Brennkraftmaschinen, die beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, betrieben werden, ergeben sich hohe Differenzwinkelgeschwindigkeiten zwischen der temporär mittels der Kupplungsvorrichtungen 100 mit den Kurbelwangen 34 gekoppelten Exzenterhülse 40 und dem die Sperrvorrichtung 52 integrierenden Pleuel 22. Um trotz dieser hohen Differenzwinkelgeschwindigkeiten ein sicheres Einrasten des jeweils federbelastet während der Veränderung der Drehausrichtung gegen die Innenseite des dazugehörigen Begrenzungsabschnitts 48 der Exzenterhülse 40 gedrückten Sperrelements 56 zu gewährleisten, weist jede der Sperrvertiefungen 70 bezüglich einer Umlaufbahn des dazugehörigen Sperrelements 56 (bei relativ zu dem Pleuel 22 drehender Exzenterhülse 40) eine größere Abmessung als der für ein Eingreifen in die Sperrvertiefung 70 vorgesehene Teil des Sperrelements 56 auf. Die Sperrvertiefungen 70 sind dazu als bogenförmig verlaufende, längliche Durchgangsöffnungen beziehungsweise Ausnehmungen ausgebildet. Die Sperrelemente 56 können somit nicht nur in einer konkreten Drehausrichtung sondern in einem größeren Winkelbereich in die dazugehörigen Sperrvertiefungen 70 eingreifen, so dass dies trotz relativ hoher Differenzwinkelgeschwindigkeiten und trotz der Trägheit, mit der die Sperrelemente 56 infolge der Federbelastung in Richtung der dazugehörigen Sperrvertiefungen 70 beschleunigt werden, mit ausreichender Sicherheit erfolgt.
Die größeren Abmessungen der Sperrvertiefungen 70 im Vergleich zu den in diese eingreifenden Teilen der Sperrelemente 56 führt trotz einer Sperrung durch eines der Sperrelemente 56 grundsätzlich zu einer (eingeschränkten) Drehbeweglichkeit zwischen der Exzenterhülse 40 und dem großen Pleuelauge 26. Um diese Drehbeweglichkeit zu eliminieren oder zumindest möglichst weitgehend zu verringern ist jedem Sperrelement 56 noch ein an dem Pleuel 22 und konkret dem Pleueldeckel 76 befestigtes, passives Rücklaufsperrelement 112 zugeordnet, das dann, wenn das dazugehörige Sperrelement 56 an dem bezüglich der Drehrichtung 106 der Exzenterhülse 40 relativ zu den Kurbelwangen 34 vorderen Ende der dazugehörigen Sperrvertiefung 70 eingreift, im Bereich des anderen Endes ebenfalls in diese Sperrvertiefung 70 eingreift und somit gemeinsam mit dem Sperrelement 56 die Exzenterhülse 40 weitgehend drehspielfrei mit dem Pleuel 22 verbindet. Ein Herausbewegen eines in eine Sperrvertiefung 70 eingreifenden Rücklaufsperrelements 112, wenn auch das dazugehörige Sperrelement 56 infolge einer Umschaltung des Betätigungselements 64 aus der dazugehörigen Sperrvertiefung 70 heraus bewegt wurde, wird automatisch dadurch erreicht, dass die Rücklaufsperrelemente 112 derart mit jeweils einer Schrägfläche ausgebildet sind, dass diese bei einem dann bewirkten Mitnehmen der Exzenterhülse 40 durch die Kurbelwelle 14 bei einem Kontakt mit dem Rand der jeweiligen Sperrvertiefung 70 unter weiterer Vorspannung eines Federelements 114 ausgelenkt werden. Für eine konstruktiv vorteilhafte Integration der beiden Rücklaufsperrelemente 112 in den Pleuel 22 ist vorgesehen, dass diese jeweils an einem freien Ende eines Schenkels des in Form einer U-förmigen Blattfeder ausgebildeten Federelements 114 befestigt sind und das Federelement 114 im Bereich seines bogenförmigen Abschnitts, in dem dieses nicht ausgelenkt wird, an dem Betätigungselement 64 befestigt ist.
So wie der Pleuel 22 im Bereich des großen Pleuelauges 26 ist auch die Exzenterhülse 40 aus zwei Teilen beziehungsweise Halbschalen ausgebildet, wobei die Trennebene 116 zwischen diesen Teilen vorzugsweise derart angeordnet ist, dass die Rotationsachse 46 des Kurbelzapfens 30 innerhalb der Exzenterhülse 40 oder die Rotationsachse 50 der Exzenterhülse 40 innerhalb des großen Pleuelauges 26 innerhalb dieser Trennebene 116 verläuft. Für eine möglichst vorteilhafte Montage der Exzenterhülse 40 ist weiterhin vorgesehen, dass Lageröffnungen (und insbesondere die Längsachsen davon), die den Drehlagerungen der Kupplungselemente 102 in den dazugehörigen Begrenzungsabschnitten 48 der Exzenterhülse 40 dienen, ebenfalls in dieser Trennebene 116 angeordnet sind. Gleiches gilt für radial bezüglich einer der Rotationsachsen 46, 50 der Exzenterhülse ausgerichtete Führungsöffnungen 118 für die auslenkbaren Enden der bogenförmig an den Innenseiten der dazugehörigen Kupplungselemente 102 geführten und im Bereich der Drehlagerungen der Kupplungselement drehgesichert integrierten Federelemente 108. Ein separates Verbinden der beiden Teile der Exzenterhülse 40 ist nicht erforderlich, weil diese infolge der Anordnung innerhalb des großen Pleuelauges 26 zusammengehalten werden.
Die in den Fig. 14 bis 17 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 13 im Wesentlichen lediglich hinsichtlich der Ausgestaltung der Kupplungsvorrichtungen 100 und der zum Lösen der Kupplungsvorrichtungen 100 aktiv beeinflussbaren Einstellvorrichtung.
Auch bei dieser Brennkraftmaschine sind zwei kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtungen 100 vorgesehen, die jeweils ein Kupplungselement 102 aufweisen, das elastisch in eine die jeweilige Kupplungsvorrichtung 100 schließende und somit die Exzenterhülse 40 an eine Drehbewegung der Kurbelwelle 14 koppelnde Stellung beaufschlagt ist. Während bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 13 Kupplungselemente 102 vorgesehen sind, die mittels separaten vorgespannten Federelementen 108 beaufschlagt sind, sind die Kupplungselemente 102 bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 14 bis 17 selbst elastisch auslenkbar ausgebildet. Konkret sind diese jeweils in Form einer Spiralfeder ausgebildet, deren eines Ende in eine Öffnung in den dazugehörigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 eingreift und dadurch lagegesichert ist, und die sich ausgehend von diesem Ende um mehr als 360° und konkret um ca. 450° um die von der Exzenterhülse 40 ausgebildete Lagerungsöffnung für den dazugehörigen Kurbelzapfen 30 der Kurbelwelle 14 herumgeführt ist. Das zweite Ende jedes der spiralfederförmigen Kupplungselemente 102 ist abgewinkelt ausgebildet und stützt sich mit diesem abgewinkelten Abschnitt randseitig an dem dazugehörigen Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 ab. Dabei ist die Geometrie der spiralfederförmigen Kupplungselemente 102 derart gewählt, dass diese bei einem Anliegen mit den abgewinkelten Enden an den Rändern der Begrenzungsabschnitte 48 elastisch aufgeweitet und somit vorgespannt sind, was zur einer Bestreben der Kupplungselemente 102 führt, sich enger beziehungsweise auf einen kleineren Durchmesser zusammenzurollen. Dies führt zu einer konstruktiven elastischen Beaufschlagung der Kupplungselemente 102, weil sich diese dadurch selbsttätig in die bei dieser Ausführungsform der Kupplungsvorrichtungen 100 radial nach innen schmaler werdenden Kupplungsspalte 104 (vgl. Fig. 16) hineinziehen und dadurch eine kraftschlüssige Koppelung der Exzenterhülse 40 an die Kurbelwangen 34 bewirken, sofern diese nicht durch ein Anschlagen an Anschlagelemente 110 radial aufgeweitet und damit der Kraftschluss zwischen den Kupplungselementen 102 und den Kupplungsflächen der Kurbelwangen 34 sowie der Exzenterhülse 40 aufgehoben wird.
Ein weiterer Unterschied der Brennkraftmaschine gemäß den Fig. 14 bis 18 zu derjenigen gemäß den Fig. 1 bis 13 liegt darin, dass die aktivierbaren und deaktivierbaren Anschlagelemente 110, von denen in jeweils einer der beiden Drehausrichtungen der Exzenterhülse 40, die mittels der Sperrvorrichtung 52 sperrbar sind, eines auf eines der Kupplungselemente 102 wirkt, während gleichzeitig das andere Kupplungselement 102 durch einen Kontakt mit einem passiven Anschlagelement 110 radial aufgeweitet ist (vgl. Fig. 18), nicht von dem Betätigungselement 64 sondern von dem jeweilige Sperrelement 56 ausgebildet werden. Hierzu ist vorgesehen, dass das entsprechende Sperrelement 56, das auch in die dazugehörige Sperrvertiefung 70 der Exzenterhülse 40 eingreift, so weit durch die als Durchgangsöffnung in dem entsprechenden Begrenzungsabschnitt 48 der Exzenterhülse 40 ausgebildete Sperrvertiefung 70 bis in den dazugehörigen Kupplungsspalt 104 hineinragt, dass das bei geschlossenen Kupplungsvorrichtungen 100 und somit bei einem Mitnehmen der Exzenterhülse 40 durch die Kurbelwelle 14 randseitig an dem entsprechenden Begrenzungsabschnitt 48 abgestützte Ende des entsprechenden Kupplungselements 102 beim Erreichen der entsprechenden Drehausrichtung der Exzenterhülse 40 auf den in den Kupplungsspalt 104 ragenden Teil des entsprechenden Sperrelements 56 aufläuft und dadurch dieses Kupplungselement 102 radial aufgeweitet wird (vgl. Fig. 17). Gleichzeitig läuft das entsprechende Ende des anderen Kupplungselements 102 außenseitig auf das dazugehörige passive Anschlagelement 110 auf und wird ebenfalls aufgeweitet. Damit sind beide Kupplungsvorrichtungen 100 geöffnet und ein Kraftschluss zwischen den mit der Exzenterhülse 40 formschlüssig verbundenen Kupplungselementen 102 und den Kurbelwangen 34 der Kurbelwelle 14 ist im Wesentlichen unterbrochen.
Wird ausgehend von einer solchen Ausgangsstellung, in der die Brennkraftmaschine mit einem konstanten Verdichtungsverhältnis betrieben wird, das Betätigungselement 64 mittels der Betätigungsschiene 90 entsprechend dem Vorgehen bei der Brennkraftmaschine gemäß den Fig. 1 bis 13 umgeschaltet, wird wiederum zunächst das in einer Verriegelungsstellung befindliche Sperrelement 56 in eine Lösestellung bewegt. Das durch dieses Sperrelement 56 dann nicht mehr aufgeweitete Kupplungselement 102 bewirkt dann zunächst alleine ein Mitnehmen der Exzenterhülse 40 durch die Kurbelwelle 14, wodurch in einem ersten, relativ kleinen Abschnitt der Drehung der Exzenterhülse 40 relativ zu dem großen Pleuelauge 26 auch das zweite Kupplungselement 102 außer Eingriff mit dem passiven Anschlagelement 110 gebracht wird. Dieses zweite Kupplungselement 102 koppelt dann ebenfalls die Exzenterhülse 40 kraftschlüssig an die dazugehörige Kurbelwange 34 der Kurbelwelle 14. Das beim Erreichen der anderen Drehausrichtung der Exzenterhülse 40 dann in die dazugehörige Sperrvertiefung 70 eingreifende zweite Sperrelemente 56 weitet dann das dazugehörige Kupplungselement 102 radial auf, während das andere Kupplungselement 102 durch das dazugehörige passive Anschlagelement 110 radial aufgeweitet wird, so dass dann wiederum beide Kupplungsvorrichtungen 100 geöffnet sind.

Bezugszeichenliste

10: Zylinderkurbelgehäuse
12: Zylinder
14: Kurbelwelle
16: Kurbelwellenraum
18: Kolben
20: Längsachse des Zylinders/Kolbens
22: Pleuel
24: Kolbenbolzen
26: großes Pleuelauge
28: Rotationsachse der Kurbelwelle
30: Kurbelzapfen
32: Lagerabschnitt der Kurbelwelle
34: Kurbelwange
36: Ausgleichsmasse der Kurbelwelle
38: kleines Pleuelauge
40: Exzenterhülse
42: Lagerungsabschnitt der Exzenterhülse
44: Rotationsachse des kleinen Pleuelauges
46: Rotationsachse der zylindrischen Innenfläche der Exzenterhülse
48: Begrenzungsabschnitt der Exzenterhülse
50: Längsachse des großen Pleuelauges / Rotationsachse der zylindrischen Außenfläche der Exzenterhülse
52: Sperrvorrichtung
54: Aufnahmeöffnung des Pleuels
56: Sperrelement
58: Pleuelschaft
60: Längsachse des Pleuels
62: Federelement der Sperrvorrichtung
64: Betätigungselement
66: Mitnahmevorsprung des Betätigungselements
68: Mitnahmenut des Sperrelements
70: Sperrvertiefung
72: Schwenkachse des Betätigungselements
74: Pleuelgrundkörper
76: Pleueldeckel
78: Verschraubung zwischen dem Pleuelgrundkörper und dem Pleueldeckel
80: Rastsicherung
82: Federelement der Rastsicherung
84: Rastkugel der Rastsicherung
86: Rastvertiefung der Rastsicherung
88: Steg der Rastsicherung
90: Betätigungsschiene
92: Führungselement des Betätigungselements
94: Führungsnut der Betätigungsschiene
96: Nutgrund der Führungsnut
98: Führungsfläche der Führungsnut
100: Kupplungsvorrichtung
102: Kupplungselement
104: Kupplungsspalt
106: Drehrichtung der Exzenterhülse relativ zu den Kurbelwangen
108: Federelement der Kupplungsvorrichtung
110: Anschlagelement
112: Rücklaufsperrelement
114: Federelement für das Rücklaufsperrelement
116: Trennebene zwischen den Teilen der Exzenterhülse
118: Führungsöffnung für das Federelement der Kupplungsvorrichtung

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Zylinder (12), einem innerhalb des Zylinders (12) beweglich geführten Kolben (18), einer Kurbelwelle (14) und einem den Kolben (18) mit einem Kurbelzapfen (30) der Kurbelwelle (14) verbindenden Pleuel (22), wobei innerhalb eines Pleuelauges (26) des Pleuels (22) eine den Kurbelzapfen (30) drehbar aufnehmende Exzenterhülse (40) drehbar gelagert ist, die in mindestens zwei Drehausrichtungen bezüglich des Pleuels (22) mittels einer Sperrvorrichtung (52) sperrbar ist, und wobei eine kraftschlüssig wirkende Kupplungsvorrichtung (100) vorgesehen ist, mittels der die Exzenterhülse (40) temporär an die Kurbelwelle (14) koppelbar ist, um die Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22) zu verdrehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (14) und die Exzenterhülse (40) jeweils eine Kupplungsfläche aufweisen, die einen Kupplungsspalt (104) mit in einer radialen Richtung abnehmender Spaltbreite ausbilden, wobei ein Kupplungselement (102) in eine erste Stellung und eine zweite Stellung bringbar ist, die sich hinsichtlich der radialen Position innerhalb des Kupplungsspalts (104) und damit hinsichtlich des Anpressdrucks zwischen dem Kupplungselement (102) und den Kupplungsflächen unterscheiden.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (100) selbstverstärkend ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (102) elastisch beaufschlagbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (102) die erste Stellung im elastisch nicht-beaufschlagten Zustand oder infolge einer konstruktiven elastischen Beaufschlagung einnimmt, während die zweite Stellung mittels einer aktiven Einstellvorrichtung einstellbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung ein verstellbares Anschlagelement (110) für das Kupplungselement (102) aufweist, das aktivierbar und deaktiverbar ist, wobei es im aktivierten Zustand einen Anschlag für das Kupplungselement (102) ausbildet und im deaktivierten Zustand keinen Anschlag für das Kupplungselement (102) ausbildet.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrelement (56) der Sperrvorrichtung (52) auch als Anschlagelement (110) der Kupplungsvorrichtung (100) dient.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrelement (56) der Sperrvorrichtung (52) in eine Sperrvertiefung (70) des Pleuels (22) oder der Exzenterhülse (40) bewegbar ist, wobei die Sperrvertiefung (70) bezüglich der Umlaufbahn des Sperrelements (56), auf der dieses relativ zu dem die Sperrvertiefung (70) ausbildenden Bauteil bei einer Relativdrehung zwischen der Exzenterhülse (40) und dem Pleuel (22) umläuft, eine größere Abmessung als der für ein Eingreifen in die Sperrvertiefung (70) vorgesehene Teil des Sperrelements (56) aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Rücklaufsperrelement (112), das gemeinsam mit dem Sperrelement (56) in die Sperrvertiefung (70) eingreifen kann.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rücklaufsperrelement (112) derart abgeschrägt ausgebildet ist, dass dieses infolge eines Kontakts mit dem Rand der Sperrvertiefung (70) aus der Sperrvertiefung (70) heraus bewegbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4 oder einem der von Anspruch 4 abhängigen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kupplungsvorrichtungen (100), wobei die zweite Stellung des Kupplungselements (102) einer ersten der Kupplungsvorrichtungen (100) mittels der Einstellvorrichtung in einer ersten Drehausrichtung der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22) einstellbar ist und die zweite Stellung des Kupplungselements (102) einer zweiten der Kupplungsvorrichtungen (100) mittels der Einstellvorrichtung in einer zweiten Drehausrichtung der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22) einstellbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sperrelement (56) der Sperrvorrichtung (52), mittels dessen die Exzenterhülse (40) in einer ersten Drehausrichtung relativ zu dem Pleuel (22) sperrbar ist, und ein zweites Sperrelement (56) der Sperrvorrichtung (52), mittels dessen die Exzenterhülse (40) in einer zweiten Drehausrichtung relativ zu dem Pleuel (22) sperrbar ist, mittels eines gemeinsamen Betätigungselements (64) alternierend betätigbar sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (64) um einen Schwenkbolzen schwenkbar ist, der Teil einer Verschraubung (78) ist, mit der zwei das Pleuelauge (26) ausbildende Teile des Pleuels (22) verbunden sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (64) auch als Anschlagelement (110) der Kupplungsvorrichtungen (100) dient.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (64) in mindestens zwei Betätigungsendstellungen mittels einer Rastsicherung (80) lagesicherbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (64) mittels einer Betätigungsschiene (90) betätigbar ist, die hierzu schwenkbar an einem Gehäuse der Brennkraftmaschine befestigt ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsschiene (90) eine beidseitig bogenförmig zulaufende Führungsnut (94) für das Betätigungselement (64) ausbildet.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 14 und Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastsicherung (80) derart ausgebildet ist, dass das Betätigungselement (64) die Betätigungsschiene (90) in den Betätigungsendstellungen nicht kontaktiert.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
- in der ersten Drehausrichtung der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22), in der die zweite Stellung des Kupplungselements (102) der ersten Kupplungsvorrichtung (100) mittels der Einstellvorrichtung eingestellt ist, die zweite Stellung des Kupplungselements (102) der zweiten Kupplungsvorrichtung (100) mittels eines passiven Einstellelements (110) eingestellt ist und

- in der zweiten Drehausrichtung der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22), in der die zweite Stellung des Kupplungselements (102) der zweiten Kupplungsvorrichtung (100) mittels der Einstellvorrichtung eingestellt ist, die zweite Stellung des Kupplungselements (102) der ersten Kupplungsvorrichtung (100) mittels eines passiven Einstellelements (110) eingestellt ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11 oder einem der von Anspruch 11 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- in einer der Drehausrichtungen der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22) das zweite Sperrelement (56) mittels des Betätigungselements (64) in einer Lösestellung gehalten ist, während das erste Sperrelement (56) mittels eines zwischen den Sperrelementen (56) abgestützten Federelements (62) in eine Sperrposition beaufschlagt ist und

- in einer anderen Drehausrichtung der Exzenterhülse (40) relativ zu dem Pleuel (22) das erste Sperrelement (56) mittels des Betätigungselements (64) in einer Lösestellung gehalten ist, während das zweite Sperrelement (56) mittels des Federelements (62) in eine Sperrposition beaufschlagt ist.