WO2012143027A1 - Stelleinrichtung zum variablen einstellen wenigstens eines verdichtungsverhältnisses einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Stelleinrichtung zum variablen einstellen wenigstens eines verdichtungsverhältnisses einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2012143027A1
WO2012143027A1 PCT/EP2011/006210 EP2011006210W WO2012143027A1 WO 2012143027 A1 WO2012143027 A1 WO 2012143027A1 EP 2011006210 W EP2011006210 W EP 2011006210W WO 2012143027 A1 WO2012143027 A1 WO 2012143027A1
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WO
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bearing
bearing parts
shaft
relative
parts
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PCT/EP2011/006210
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English (en)
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Inventor
Dietmar Schröer
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/02—Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/08—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key
    • F16D1/0852—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping between the mating surfaces of the hub and shaft
    • F16D1/0864—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping between the mating surfaces of the hub and shaft due to tangential loading of the hub, e.g. a split hub

Definitions

  • the invention relates to an adjusting device for variably setting at least one compression ratio of an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1.
  • EP 1 307 642 B1 discloses a reciprocating internal combustion engine with a piston displaceably arranged in a cylinder.
  • the piston is pivotally coupled to a connecting rod whose movement is transferable to a crank of a crankshaft.
  • a transmission member is provided, the movement of which is manipulable via a control lever, with the aim of a controllable movement of the
  • the transmission member is designed as a cross lever, which is coupled via a hinge with the crank, said hinge is located in the intermediate region between a bearing point of the transverse lever to the control lever and a bearing point of the transverse lever to the connecting rod.
  • the joint is arranged between the transverse lever and the crank at a distance from the connecting line between the two bearing points of the transverse lever to the control lever or to the connecting rod.
  • Compression ratio of an internal combustion engine comprises at least one transmission element, via which the compression ratio is adjustable. For example, forces and / or torques are to be transmitted via the transmission element, so that the compression ratio can thereby be set variably.
  • the transmission element is mounted on at least two bearing parts movable relative to the bearing parts movable on a bearing element. Thereby, the transmission element can be moved relative to the bearing parts, so that by moving the
  • Transmission element can be adjusted or adjusted relative to the bearing parts and thus relative to the bearing element, the compression ratio.
  • At least one actuator is provided, by means of which for fixing the transmission element relative to the bearing parts as a result of clamping of the
  • Transmission element is fixed relative to the bearing parts and relative to the bearing element and can not or can not be moved relative to these. Thereby, the compression ratio can be maintained at least substantially constant at a set value.
  • the internal combustion engine over a certain period of time with the at least substantially constant
  • the adjusting device according to the invention has only a very small space requirement, since a braking and holding function for braking and fixing the transmission element relative to the bearing parts and to the bearing element at least partially in the bearing parts is integrated.
  • the adjusting device according to the invention due to this integration a small number of parts, which is associated with a low weight and low cost of the adjusting device and thus the entire internal combustion engine.
  • the small space requirement contributes to the avoidance and / or the solution of package problems, especially in a space-critical area such as an engine compartment of a motor vehicle, in particular a passenger car, at.
  • the adjusting device according to the invention can be used in particular in an internal combustion engine designed as a reciprocating internal combustion engine.
  • the reciprocating internal combustion engine in this case has at least one combustion chamber in the form of a cylinder, in which a piston is accommodated translationally displaceable relative to the cylinder.
  • the piston is articulated, for example, with a connecting rod.
  • the one hand articulated coupled to the piston connecting rod is on the other hand pivotally coupled to a transverse lever of the adjusting device.
  • the cross lever is rotatably mounted, for example, on a crank pin of a crankshaft of the reciprocating internal combustion engine relative to the crank pin.
  • the transverse lever articulated on the one hand with the connecting rod is at least indirectly coupled to an actuating shaft which is, for example, the said transmission element of the actuating device.
  • the cross lever is pivotally coupled by the intermediary of a Maupleuels with the control shaft.
  • the Maupleuel is on the one hand with the
  • Cross lever coupled articulated, while on the other hand it is pivotally coupled to the control shaft.
  • the control shaft as the transmission element is formed for example as an eccentric shaft with at least one eccentric pin on which the Maupleuel is rotatably mounted relative to the eccentric pin.
  • the control shaft is rotatably supported by the bearing parts about a rotation axis relative to the bearing element.
  • the bearing element is formed for example by or as a housing element of the adjusting device and / or the internal combustion engine. Turning the control shaft about the axis of rotation causes a rotation of the transverse lever relative to the crank pin. This is accompanied by a displacement of the piston in the cylinder relative thereto, whereby the
  • Compression ratio is adjusted or adjusted.
  • the adjusting device according to the invention enables the operation of
  • clamping brake Due to the fixability of the transmission element, in particular the control shaft, by means of the actuator and the bearing parts in the bearing parts at least partially integrated clamping brake is provided, which quickly, that is in a short time, between the transmission element relative to the bearing parts fixing braking state and at least one Transmission element is switchable relative to the bearing parts releasing release state.
  • the thus realized clamping brake allows at least substantially, in particular completely, backlash-free fixing of the transmission element relative to the bearing parts, so that it is at an alternating load of the transmission element, in particular in one on the
  • the clamping brake shown in particular by the bearing parts and the actuator can be arranged at a front end of the control shaft and at the same time act as the foremost bearing of the control shaft, via which the actuating shaft is rotatably mounted about the axis of rotation.
  • the clamping brake acts as a bearing and as a brake for braking and fixing the control shaft. It is equally possible that the clamping brake with the bearing parts and the actuator on a wall of a housing member, in particular a crankcase, the internal combustion engine is flanged.
  • Transmission element in particular the actuating shaft, relative to the bearing parts causes when the compression ratio for a certain period of time just not is adjusted. This usually makes the largest proportion of time during operation of the internal combustion engine.
  • a movement of the bearing parts relative to each other is effected by means of the actuator, so that the clamping brake is switched to the release state and a movement of the transmission element relative to the bearing parts is possible.
  • the adjusting device For rotating the actuating shaft or for moving the transmission element, the adjusting device comprises at least one servomotor. So can by means of the servomotor the
  • Compression ratio can be variably adjusted via the transmission element.
  • the servo motor is designed for example as an electric motor or as a hydraulically actuated motor.
  • the adjusting device according to the invention can be made particularly small in terms of their dimensions and with only a small amount of material, which keeps their costs low, their weight and their space requirement low.
  • Transmission element on the bearing element provided a bearing receptacle, which is partially formed by one of the bearing parts and partly by the other bearing part.
  • a bearing for the transmission element is formed, wherein the bearing is due to the partial representation of the bearing support by the one and the other bearing part at least divided into two parts.
  • the bearing parts are formed as separate bearing parts. This is one of the bearing parts
  • the bearing block formed for example by a bearing block and / or by a housing part, in particular of the crankcase, the adjusting device and / or the internal combustion engine, while the other bearing part is designed as a bearing bridge or bearing cap and connect to the first bearing part.
  • at least one screw for connecting the two bearing parts together, for example, at least one screw, in particular one
  • Transmission element particularly simple and thus time and cost to be mounted.
  • the relative movements between the bearing parts for releasing and fixing the transmission element relative to the bearing parts can thereby be realized in a simple manner.
  • the bearing parts are formed integrally with each other and partially spaced by at least one gap, slot, joint or the like. This keeps the number of parts and thus the assembly costs of the adjusting device according to the invention low. Since the bearing parts are at least partially spaced apart from each other via the gap or the like, they can be moved partially over the gap relative to each other, thus the
  • the actuator is arranged at least partially between the bearing parts. This allows the relative movements between the
  • Bearing parts for holding (fixing) or releasing the transmission element particularly efficient and at least substantially directly effected and the bearing parts are impressed.
  • the clamping brake is particularly fast, that is, in a particularly short time, switchable between the release state and the braking state.
  • the compression ratio can be adjusted particularly frequently even in a short period of time.
  • the bearing parts by means of at least one connecting means, in particular a screw, clamped together, wherein the bearing parts are preferably clamped together via the actuator.
  • the tension is then the corresponding other state, that is, starting from the
  • the actuator is advantageously designed as a piezo actuator.
  • the piezo actuator comprises, for example, at least one piezo stack with piezo elements. As a result, the actuator has only a very small space requirement and only a very small
  • the bearing element is a housing of a transmission of the adjusting device, via which the compression ratio is adjustable, wherein the bearing parts are formed by wall parts of the housing.
  • a further advantage of this integration is that the housing is preferably fastened very firmly to the housing element, in particular the crankcase, of the internal combustion engine, in particular with respect to torques.
  • Adjustment of the set compression ratio as a result of acting from the combustion chamber on the actuator forces and / or torques can be prevented.
  • the transmission element is designed as a gear of the transmission.
  • the gear is rotatably supported by the bearing parts about an axis of rotation relative to the bearing parts on the housing of the transmission. This means that by means of the clamping brake, the gear can be fixed as the transmission element, so that the compression ratio held over the gear and against a
  • the gear on a collar or the like paragraph on which the gear is fixed relative to the bearing parts and via which the gear and the bearing parts is mounted on the housing can be arranged on a particularly large diameter or radius, which allows the presentation of particularly high braking torque.
  • the adjusting device according to the invention has a very low space requirement and a very low weight, since the clamping brake is at least partially integrated in the transmission.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a storage arrangement of a
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • Fig. 3 is a schematic front view of the storage arrangement according to Fig. 2;
  • FIGS. 1 to 3; 5 shows a detail of a schematic and partially sectioned view of an adjusting device for setting the individual cylinders of compression ratios of a reciprocating internal combustion engine;
  • FIGS. 1 to 5 shows three diagrams for illustrating a method for adjusting the compression ratios of the reciprocating internal combustion engine with the adjusting device according to FIGS. 1 to 5;
  • FIG. 7 shows three diagrams for illustrating a further embodiment of the method according to FIGS. 1 to 5; FIG. and
  • Embodiment of the adjusting device according to FIG. 5 Embodiment of the adjusting device according to FIG. 5.
  • the bearing element 14 comprises a frame 18, in particular a machine frame.
  • the frame 18 is for example a housing part of a housing of a reciprocating internal combustion engine, in which the shaft 12 is received at least partially.
  • the bearing element 14 further comprises a bearing cap 20 which by means of
  • Clamping screws 22 is screwed to the frame 18.
  • a first part of a bearing receptacle, a bearing bore, for the shaft 12 is formed.
  • a second part of the bearing receptacle for the shaft 12 is formed.
  • the bearing element 14 thus a divided, in particular two-part, bearing for the shaft 12 is formed, through which the shaft 12 is mounted on the bearing element 14.
  • the shaft 12 is at least partially in the bearing receptacle and in
  • Clamped bearing receptacle that a maximum torque which acts on the shaft 12, can be kept just without the shaft 12 rotates about its axis of rotation 16 relative to the bearing element.
  • a necessary biasing force can be applied by the clamping screws 22.
  • piezo stacks 24 are arranged with respective piezo elements and clamped by means of the clamping screws 22. If a corresponding electrical voltage is applied to the piezo-stacks 24, then the piezo-stacks 24 expand at least in the direction of the frame 18 and / or in the direction of the bearing cap 20 and thus perpendicular to the pitch of the bearing and provide a
  • Storage air of about the usual size of a sliding bearing which is, for example, about 1/1000 of the diameter of the bearing.
  • Bearing cap 20 is clamped and fixed relative to these, so that the shaft 12 can not rotate about its axis of rotation 16 relative to the frame 18 and to the bearing cap 20.
  • This clamping is matched to the maximum occurring and acting on the shaft 12 during operation of the internal combustion engine torque, so can be supported by clamping this moment and this moment the shaft is not about the rotation axis 16 relative to the frame 18 and the bearing cap 20th can twist.
  • Bearing cover 20 is reduced or even completely removed, so that the shaft 2 can be rotated about its axis of rotation 16 relative to the frame 18 and the bearing cap 20. If the shaft 12 is rotated in a desired rotational position about its axis of rotation 16 relative to the frame 18 and the bearing cap 20, the application of the electrical voltage to the piezo-stacks 24 is canceled. This causes a relative movement of the frame 18 and the bearing cap 20 toward each other, for example due to elastic springback of the frame 18 and the bearing cap 20 due to
  • a particularly fast to switching and at least substantially backlash-free clamping brake is provided, by means of which the shaft can be fixed quickly, that is in a short time, relative to the bearing element 14 or released accordingly.
  • modulating the electrical voltage can thus be a quick release and Deceleration of the shaft 2 can be achieved, as it can be done, for example, at least in the kHz range.
  • FIGS. 2 and 3 show an alternative embodiment of the bearing arrangement 10 according to FIG. 1.
  • an integral bearing ring 26 is provided, via which the shaft 12 is mounted on the bearing element 14 is.
  • the one-piece bearing ring 26 includes a first bearing member 28 and integrally formed with the first bearing member 28 second bearing member 30, which are spaced from each other via a slot 32 of the bearing ring 26.
  • the bearing ring 26 has connecting flanges 34, via which he means
  • Flanged screws 36 screwed to the frame 18 and held so.
  • a piezo-stack 24 is arranged with piezo elements.
  • the bearing parts 28 and 30 are clamped together by means of a clamping screw 22 via the piezo-stack 24, so that the piezo-stack 24 is clamped between the bearing parts 28 and 30.
  • the clamping screw 22 By means of the clamping screw 22, the bearing parts 28 and 30 are clamped together, so that the shaft 12 is clamped in the de-energized state of the piezo-stack 24 between the bearing parts 28 and 30 and not relative to the bearing element 14 and relative to
  • Bearing ring 26 can rotate about the axis of rotation 16. 1, the shaft 12 is released by energizing the piezo-stack 24, since by applying the electrical voltage to the piezo-stacks 24, the bearing parts 28 and 30 are moved away from each other relative to each other, so that the Slot 32 increases and the
  • Clamping screw 22 causes, whereby the shaft 12 is clamped and relative to the
  • Bearing element 14 and the bearing ring 26 is fixed.
  • the bearing ring 26 is thus a brake flange, by means of which the shaft can be fixed and released relative to the bearing element 14.
  • the connecting flanges 34 have recesses 38 which allow at least substantially free mobility in the direction of the opening and closing of the brake. The co-rotation of the entire brake flange is prevented.
  • the bearing is therefore divided into more than two parts.
  • surfaces of the bearing, on which the shaft 12 is mounted are such that the surfaces can withstand wear and the clamping of the shaft 12 over a long service life wear.
  • the clamping screws 22 are designed such that they can endure frequent relative movements between the frame 18 and the bearing cap 20 and between the bearing parts 28 and 30 at least substantially free of damage.
  • the clamping of the shaft can also be used in addition or as an alternative to avoid an axial movement of the shaft 12 relative to the bearing element 14.
  • piezo-stacks 24 instead of the piezo-stacks 24 and other actuators such as electromagnetically actuated actuators are used.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the bearing arrangement 10 according to FIGS. 1 to 3.
  • a piezo-stack 24 and a reinforcing element 40 are provided, via which the frame 18 and the bearing cover 20 are secured by means of the
  • Clamping screws 22 are clamped together.
  • the bearing is brought by the clamping screws 22 in its usual form.
  • the bearing is additionally braced, so that the bearing clearance is zero and a braking effect is achieved.
  • the shaft 12 is fixed to the bearing element 14, so that the shaft 2 is not around its
  • the reinforcing element 40 which is formed, for example, at least substantially of steel, directs a force acting on the piezo-stack 24 targeted to the bearing.
  • FIG. 5 shows an adjusting device 42 for a reciprocating internal combustion engine, by means of which compression ratios of the reciprocating internal combustion engine are independently adjustable variably.
  • the reciprocating internal combustion engine for example, has four cylinders, each having a variably variable compression ratio. This means that each individual compression ratio of the respective cylinder is variable and independent of the respective other compression ratios of the other cylinder can be adjusted.
  • the compression ratios are individually adjustable or adjustable in terms of cylinder and can be adapted to thermodynamic requirements of the corresponding cylinder.
  • a first of the cylinders can be operated with a first compression ratio, which differs from a second compression ratio
  • Compression ratio of a second of the cylinder is different.
  • the adjusting device 42 comprises an actuating shaft 44, which comprises four partial shafts 46, 48, 50 and 52.
  • the partial shaft 46 is assigned to a first of the cylinders, while the partial shaft 48 is assigned to a second of the cylinder.
  • the split shaft 50 is associated with a third of the cylinders, while the split shaft 52 is associated with the fourth cylinder of the reciprocating internal combustion engine.
  • the partial shafts 46, 48, 50 and 52 are rotatable about respective axes of rotation 54 relative to a crankcase 56 of the reciprocating internal combustion engine at the
  • crankcase 56 stored.
  • the crankcase 56 includes bearing caps 58, 60, 62, 64 and 66, through which in cooperation with corresponding housing parts of the crankcase 56, a bearing gate 68 is formed, on which the actuating shaft 44 is mounted.
  • the axes of rotation 54 are arranged coaxially with one another.
  • the adjusting device 42 shown with reference to FIG. 5 analogously to reciprocating internal combustion engines which have one of four different numbers of cylinders.
  • the number of partial waves 46, 48, 50 and 52 corresponds to the number of cylinders.
  • the adjusting device 42 comprises at least as many partial shafts 46, 48, 50 and 52 as the reciprocating internal combustion engine cylinder comprises.
  • the bearing caps 58, 60, 62, 64 and 66 are, for example, by a respective
  • Bearing cover as the bearing cap 20 of the bearing assembly 10 according to FIGS. 1 to 4 formed.
  • the bearing caps 58, 60, 62, 64 and 66 are connected, for example by means of clamping screws 22 with the housing parts of the crankcase 56 to form the bearing gate 68, so that the housing parts of the crankcase 56th
  • the bearing caps 60, 62, 64 and 66 are provided with at least one respective piezo-stack 24, by means of which a respective relative movement of the
  • crankcase 56 analogous to the piezo-stacks 24 of
  • Storage arrangement 10 according to FIGS. 1 to 4 can be effected. This allows the partial waves 46, 48, 50 and 52 individually and independently of each other
  • Partial shafts 46, 48, 50 and 52 clamped and thus fixed or released.
  • the fast, backlash-free and compact clamping brake described with reference to FIGS. 1 to 4 is realized so that the respectively set, cylinder-specific compression ratio can be maintained at least substantially at a constant value over a certain period of time. Since each of the partial shafts 46, 48, 50 and 52 is assigned at least one separate piezo-stack 24 and thus each of the partial shafts 46, 48, 50 and 52 can be individually released or fixed, thus setting or adjustment of the compression ratio for each the cylinder of the reciprocating internal combustion engine can be made individually.
  • the partial shafts 46, 48 and 50 each have a bearing receptacle 70, 72 and 74, in which the respective following partial shaft 48, 50 and 52 is partially received. This means that thus the partial waves 46, 48 and 50 at least partially
  • Partial shafts 46, 48, 50 and 52 are on the other hand supported by the clamping brake, by means of which the partial shafts 46, 48, 50 and 52 can be fixed or released relative to the bearing caps 58, 60, 62 and 64 and to the corresponding housing parts.
  • the bearing cap 58 is not provided with a piezo stack 24, since the piezo stack 24 of the bearing cap 60 corresponds to the partial shaft 46 and this is sufficient to the partial shaft 46 relative to the bearing caps 58 and 60 and to the corresponding housing parts of the crankcase 56 to fix.
  • Figs. 6 and 7 show respective diagrams 76, 78 and 80, based on which a
  • crank angle of a crankshaft of the reciprocating internal combustion engine in degrees crank angle according to a direction arrow 84 applied increasing.
  • the crankshaft is it indirectly coupled with the piston received in the cylinders and serves to convert the translational movements of the pistons in the cylinders relative to these in a rotational movement of the crankshaft.
  • the angle of rotation of the control shaft 44 or one of the partial shafts 46, 48, 50 or 52 is plotted according to a directional arrow 86, which can be regarded as representative of the rotation angle of all partial shafts 46, 48, 50 and 52.
  • a curve 88 is entered. Based on the course 88, it can be seen that the control shaft 44 or the corresponding partial shaft 46, 48, 50 or 52 is to be rotated about the rising crank angle about its axis of rotation 54 so as to displace the associated piston in the cylinder relative thereto and so on adjust the corresponding compression ratio of the corresponding cylinder. As can also be seen from the course 88, the rotation of the
  • the actuating shaft 44 or the associated partial shaft 46, 48, 50 or 52 can rotate about its axis of rotation 54. If the piezo-stack 24 and thus the clamping brake realized by it are in the braking state B, then the actuating shaft 44 or the associated partial shaft 46, 48, 50, 52 is located between the corresponding
  • Crankcase 56 clamped and thus fixed so that they can not rotate about its axis of rotation 54.
  • the rotation of the control shaft 44 or the partial shaft 46, 48, 50 or 52 about its associated axis of rotation 54 is at least substantially passive taking advantage of forces and / or torques resulting from combustion processes in the
  • an active actuator for adjusting or adjusting a
  • a curve 94 is entered, which is a torque acting on the control shaft 44 or the corresponding partial shaft 46, 48, 50 and / or 52
  • the values of the torque are plotted, wherein the ordinate 96 is divided by the value zero for the torque in a positive range P and in a negative range N. From this it can be seen that the torque is an alternating torque, which can be positive (positive range P) and negative (negative range N) and corresponding to the actuating shaft 44 or the associated partial shaft 46, 48, 50 and 52 acts. This means that act on the control shaft 44 and the sub-shafts 46, 48, 50 and 52 during operation of the reciprocating internal combustion engine alternation moments that allow the compression ratios pure and by a temporally at least substantially precisely defined braking intervention or by the To realize braking interventions.
  • Torque then negative (in the negative region N) and thus causes the rotation of the actuating shaft 44 and the partial shaft 46, 48, 50 or 52 in the desired, second direction of movement, the partial shaft 46, 48, 50 or 52 is released
  • the adjusting device 42 thus comprises passive actuators, which are designed as brake devices in the form of the clamping brake or the clamping brakes.
  • D. h. Is that an actual job energy for adjusting or adjusting the compression ratios is not actively spend and rather at least substantially directly from the combustion chambers or a crank mechanism with the piston and the crankshaft is removed. It is only an energy, in particular electric power, needed to supply the piezo-stacks 24 with the electrical voltage. However, this energy is particularly low.
  • the piezo stacks 24 are furthermore advantageous in that they are only small
  • Release states F and the respective braking conditions B are switchable.
  • the compression ratios can be adjusted in a short time and adjusted as needed.
  • FIG. 6 shows a rotation of the actuating shaft 44 or the partial shafts 46, 48, 50 and 52 or one of the partial shafts 46, 48, 50 and 52 independently of the other partial shafts 46, 48, 50 and 52 in FIG one, for example the first, direction of rotation.
  • 7 shows a rotation of the actuating shaft 44 or the partial shafts 46, 48, 50 and 52 or one of the partial shafts 46, 48, 50 and 52 first in the first and then in the second rotational direction opposite to the second direction of rotation.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the adjusting device 42 according to FIG. 5.
  • the reciprocating internal combustion engine assigned to the adjusting device 42 according to FIG. 8 likewise has a plurality of cylinders with one
  • the actuating shaft 44 is formed in one piece and as an eccentric shaft with a plurality of eccentrics.
  • the number of eccentric corresponds to the number of cylinders of the reciprocating internal combustion engine.
  • a rotation of the actuating shaft 44 about the axis of rotation 54 causes rotation of respective, associated with the cylinders transverse lever relative to respective crank pin of the crankshaft of the internal combustion engine, on which the transverse levers are rotatably mounted relative to the crank pin.
  • an actuator in the form of an electric motor is provided, which is supplied to rotate the control shaft 44 with electric current.
  • the electric motor provides a torque which is used to turn the
  • Adjusting shaft 44 is transmitted to the actuating shaft 44 about the axis of rotation 54 and introduced into this.
  • a gear 98 of the adjusting device 42 is arranged between the electric motor and the actuating shaft 44, which has a different from one (1) translation.
  • the gear 98 makes it possible to convert the torque provided by the electric motor into a torque that is in particular higher in terms of magnitude, and to introduce this higher torque as a setting torque into the actuating shaft 44.
  • the electric motor only has to apply low torques, which are converted by means of the gear 98 in contrast higher torques (setting torques). This keeps the energy consumption of the electric motor low.
  • the compression ratio or the compression ratios can also be adjusted or adjusted in opposition to high forces and / or torques acting on the respective combustion chambers.
  • the gear 98 includes a first, not shown in FIG. 8 gear and at least one second gear 100, which has a toothing 102.
  • the toothed wheel 100 engages with the first toothed wheel via its toothing 102 and corresponding toothing of the first toothed wheel, so that the torque provided by the electric motor can be transmitted from the first to the second toothed wheel 100.
  • the second gear 100 is rotatably with the
  • Adjusting shaft 44 is connected so that the torque transmitted from the first to the second gear 100 can be transmitted to the actuating shaft 44.
  • the transmission 98 includes a transmission housing 104, on which the second gear 100 is rotatably mounted about the rotation axis 54 relative to the transmission housing 104.
  • the gear housing 104 has at least the purpose and the task of the bearing ring 26 of the bearing assembly 10 of FIG. 2. Also by the gear housing 104 bearing parts 28 and 30 are formed which integral with the gear housing 104 and thus integrally formed with each other and a slot 32nd are partially spaced from each other. In the slot 32, a piezo-stack 24 is now arranged, which can cause relative movements between the bearing parts 28 and 30, so that the second gear 100 clamped between the bearing parts 28 and 30 and thus fixed relative to the gear housing 104 or can be released in contrast.
  • the bearing part 28 is associated with a first tab 106.
  • the bearing part 30 is associated with a second flap 108 corresponding thereto.
  • the bearing parts 28 and 30 are clamped together via the tabs 106 and 108 by means of a clamping screw 22, so that in a de-energized state of the piezo-stack 24, that is, when no voltage is applied to this, the second gear 100 between the bearing parts 28 and 30 is clamped and relative to the gear housing 104 (bearing element 14) can not be rotated about the axis of rotation 54.
  • the piezo-stack 24 causes an enlargement of the slot 32, so that the bearing parts 28 and 30 are moved away from one another. Thereby, the clamping of the second gear 100 between the bearing parts 28 and 30 is reduced or canceled completely, so that the second gear 100 relative to the gear housing 104, in which the gear 100 is mounted, about the rotation axis 54 can be rotated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung (42) zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Übertragungselement (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100), über welches das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist und welches über wenigstens zwei Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) relativ zu den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) bewegbar an einem Lagerelement (14, 56, 104) gelagert ist, wobei wenigstens ein Stellglied (24) vorgesehen ist, mittels welchem zum Fixieren des Übertragungselements (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) relativ zu den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) infolge eines Klemmens des Übertragungselements (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) zwischen den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) bewirkbar ist.

Description

Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die EP 1 307 642 B1 offenbart eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben. Der Kolben ist mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt, dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des
Kolbens zu gewährleisten, insbesondere um eine Variierung des
Verdichtungsverhältnisses und des Kolbenhubs zu ermöglichen. Das Übertragungsglied ist dabei als Querhebel ausgebildet, der über ein Gelenk mit der Kurbel gekoppelt ist, wobei dieses Gelenk im zwischenliegenden Bereich zwischen einem Lagerpunkt des Querhebels zum Steuerhebel und einem Lagerpunkt des Querhebels zum Pleuel liegt. Das Gelenk ist zwischen Querhebel und Kurbel mit Abstand zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lagerpunkten des Querhebels zum Steuerhebel beziehungsweise zum Pleuel angeordnet.
Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Pleuel-Lagerpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Pleuel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt sich, bezogen auf den Kurbelradius, auf bestimmte Weise bemisst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche einen sehr geringen Bauraumbedarf aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines
Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens ein Übertragungselement, über welches das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist. Über das Übertragungselement sind beispielsweise Kräfte und/oder Drehmomente zu übertragen, so dass dadurch das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt werden kann.
Das Übertragungselement ist über wenigstens zwei Lagerteile relativ zu den Lagerteilen bewegbar an einem Lagerelement gelagert. Dadurch kann das Übertragungselement relativ zu den Lagerteilen bewegt werden, so dass durch Bewegen des
Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen und damit relativ zu dem Lagerelement das Verdichtungsverhältnis eingestellt beziehungsweise verstellt werden kann.
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Stellglied vorgesehen, mittels welchem zum Fixieren des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen infolge eines Klemmens des
Übertragungselements zwischen den Lagerteilen eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen bewirkbar ist. Dies bedeutet, dass mittels des Stellglieds eine
Relativbewegung zwischen den Lagerteilen bewirkbar ist. Infolge dieser Relativbewegung wird das Übertragungselement zwischen den Lagerteilen geklemmt, so dass das
Übertragungselement relativ zu den Lagerteilen und relativ zu dem Lagerelement fixiert ist und nicht beziehungsweise nicht mehr relativ zu diesen bewegt werden kann. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen konstant auf einem eingestellten Wert gehalten werden. So kann die Verbrennungskraftmaschine über eine gewisse Zeitdauer hinweg mit dem zumindest im Wesentlichen konstanten
Verdichtungsverhältnis betrieben werden. Insbesondere kann das Übertragungselement und somit das Verdichtungsverhältnis gegen aus einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine wirkende und insbesondere aus
Verbrennungsvorgängen in dem Brennraum resultierende Kräfte und/oder Drehmomente gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf, da eine Brems- und Haltefunktion zum Bremsen und Fixieren des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen und zu dem Lagerelement zumindest teilweise in die Lagerteile integriert ist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Stelleinrichtung infolge dieser Integration eine geringe Teileanzahl auf, was mit einem geringen Gewicht und geringen Kosten des Stelleinrichtung und damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Insbesondere der geringe Bauraumbedarf trägt zur Vermeidung und/oder zur Lösung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie ein Motorraum eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, bei.
Durch die Fixierung des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen können auch unerwünscht hohe Belastungen, insbesondere wechselnde Drehmomente, zumindest im Wesentlichen von der Stelleinrichtung ferngehalten werden. Zumindest können solche Belastungen, insbesondere wechselnde Drehmomente, besonders gering gehalten werden. Somit ist es möglich, die erfindungsgemäße Stelleinrichtung besonders klein hinsichtlich ihrer Dimensionen auszugestalten, was dem geringen Bauraumbedarf, dem geringen Gewicht und den geringen Kosten zuträglich ist.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung ist insbesondere bei einer als Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine verwendbar. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders auf, in welchem ein Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder verschiebbar aufgenommen ist. Der Kolben ist dabei beispielsweise mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt. Das einerseits gelenkig mit dem Kolben gekoppelte Pleuel ist andererseits mit einem Querhebel der Stelleinrichtung gelenkig gekoppelt. Der Querhebel ist dabei beispielsweise an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Hubzapfen drehbar gelagert. Der einerseits mit dem Pleuel gelenkig verbundene Querhebel ist andererseits zumindest mittelbar mit einer Stellwelle, die zum Beispiel das genannte Übertragungselement der Stelleinrichtung ist, gekoppelt. Beispielsweise ist der Querhebel unter Vermittlung eines Nebenpleuels mit der Stellwelle gelenkig gekoppelt. Das Nebenpleuel ist dabei einerseits mit dem
Querhebel gelenkig gekoppelt, während es andererseits mit der Stellwelle gelenkig gekoppelt ist.
Die Stellewelle als das Übertragungselement ist beispielsweise als Exzenterwelle mit wenigstens einem Exzenterzapfen ausgebildet, an welchem das Nebenpleuel relativ zu dem Exzenterzapfen drehbar gelagert ist. Die Stellwelle ist über die Lagerteile um eine Drehachse relativ zu dem Lagerelement drehbar gelagert. Das Lagerelement ist beispielsweise durch ein oder als Gehäuseelement der Stelleinrichtung und/oder der Verbrennungskraftmaschine gebildet. Ein Drehen der Stellwelle um die Drehachse bewirkt ein Verdrehen des Querhebels relativ zu den Hubzapfen. Dies geht einher mit einer Verschiebung des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem, wodurch das
Verdichtungsverhältnis eingestellt bzw. verstellt wird.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung ermöglicht den Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch und damit mit geringen C02-Emissionen, da sie es ermöglicht, das wenigstens eine variabel einstellbare Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der
Verbrennungskraftmaschine bedarfsgerecht anzupassen.
Durch die Fixierbarkeit des Übertragungselements, insbesondere der Stellwelle, mittels des Stellglieds und der Lagerteile ist eine in die Lagerteile zumindest teilweise integrierte Klemmbremse geschaffen, welche schnell, das heißt in kurzer Zeit, zwischen einem das Übertragungselement relativ zu den Lagerteilen fixierenden Bremszustand und wenigstens einem das Übertragungselement relativ zu den Lagerteilen freigebenden Freigabezustand schaltbar ist. Darüber hinaus ermöglicht die so realisierte Klemmbremse ein zumindest im Wesentlichen, insbesondere vollständig, spielfreies Fixieren des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen, so dass es bei einer wechselnden Belastung des Übertragungselements, insbesondere bei einem auf das
Übertragungselement wirkenden wechselnden Drehmoment, nicht zu einem
Anlagewechsel von in gegenseitigen Kontakt bewegbaren Bauteiloberflächen kommt. Ein solcher Anlagewechsel würde zu einer unerwünschten Entstehung von Geräuschen und einem unerwünschten Aneinanderschlagen der Bauteile führen. Dies bedeutet, dass die kompakte Klemmbremse eine unerwünschte Entstehung von Geräuschen sowie einen unerwünscht hohen Verschleiß der Stelleinrichtung vermeidet.
Die insbesondere durch die Lagerteile und das Stellglied dargestellte Klemmbremse kann dabei an einem vorderen Ende der Stellwelle angeordnet sein und gleichzeitig als vorderstes Lager der Stellwelle fungieren, über welches die Stellwelle um die Drehachse drehbar gelagert ist. Dabei fungiert die Klemmbremse als Lager sowie als Bremse zum Abbremsen und Fixieren der Stellwelle. Ebenso möglich ist es, dass die Klemmbremse mit den Lagerteilen und dem Stellglied an einer Wandung eines Gehäuseelements, insbesondere eines Kurbelgehäuses, der Verbrennungskraftmaschine angeflanscht ist.
Mittels der Klemmbremse wird insbesondere dann das Fixieren des
Übertragungselements, insbesondere der Stellwelle, relativ zu den Lagerteilen bewirkt, wenn das Verdichtungsverhältnis während einer gewissen Zeitspanne gerade nicht verstellt wird. Dies macht in der Regel den größten Zeitanteil während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine aus. Zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses von einem ersten auf einen zweiten, dazu unterschiedlichen Wert wird mittels des Stellglieds eine Bewegung der Lagerteile relativ zueinander bewirkt, so dass die Klemmbremse in den Freigabezustand geschaltet ist und eine Bewegung des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen möglich ist.
Zum Drehen der Stellwelle bzw. zum Bewegen des Übertragungselements umfasst die Stelleinrichtung wenigstens einen Stellmotor. So kann mittels des Stellmotors das
Verdichtungsverhältnis über das Übertragungselement variabel eingestellt werden. Der Stellmotor ist beispielsweise als Elektromotor oder als hydraulisch betätigbarer Motor ausgebildet.
Da gegebenenfalls und vorteilhafterweise nur in einem begrenzten Bereich des
Motorkennfelds der Verbrennungskraftmaschine das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt und somit verstellt wird, sind auf die Stelleinrichtung höchste wirkende
Belastungen beträchtlich kleiner, als wenn keine Bremse wie die Klemmbremse verwendet werden würde. So kann die erfindungsgemäße Stelleinrichtung besonders gering hinsichtlich ihrer Dimensionen und mit einem nur geringen Materialaufwand hergestellt werden, was ihre Kosten, ihr Gewicht und ihren Bauraumbedarf gering hält.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zum Lagern des
Übertragungselements an dem Lagerelement eine Lageraufnahme vorgesehen, welche teilweise durch eines der Lagerteile und teilweise durch das andere Lagerteil gebildet ist. Durch die Lageraufnahme ist ein Lager für das Übertragungselement gebildet, wobei das Lager infolge der teilweisen Darstellung der Lageraufnahme durch das eine und das andere Lagerteil zumindest zweigeteilt ist. Dadurch kann das Übertragungselement, insbesondere die Stellwelle, auch besonders zeit- und kostengünstig montiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Lagerteile als voneinander separate Lagerteile ausgebildet. Dabei ist eines der Lagerteile
beispielsweise durch einen Lagerbock und/oder durch ein Gehäuseteil, insbesondere des Kurbelgehäuses, der Stelleinrichtung und/oder der Verbrennungskraftmaschine gebildet, während das andere Lagerteil als Lagerbrücke beziehungsweise Lagerdeckel ausgebildet und mit dem ersten Lagerteil zu verbinden ist. Zum Verbinden der beiden Lagerteile miteinander ist beispielsweise wenigstens eine Schraube, insbesondere eine
Spannschraube, vorgesehen, mittels welcher die beiden Lagerteile miteinander zu verspannen sind. Durch diese separate Ausbildung der Lagerteile kann das
Übertragungselement besonders einfach und damit zeit- und kostengünstig montiert werden. Darüber hinaus sind dadurch die Relativbewegungen zwischen den Lagerteilen zum Freigeben und Fixieren des Übertragungselements relativ zu den Lagerteilen auf einfache Weise realisierbar.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Lagerteile einstückig miteinander ausgebildet und durch wenigstens einen Spalt, Schlitz, Fuge oder dergleichen bereichsweise voneinander beabstandet sind. Dies hält die Teileanzahl und damit den Montageaufwand der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gering. Da die Lagerteile über den Spalt oder dergleichen voneinander zumindest bereichsweise beabstandet sind, können diese teilweise über den Spalt relativ zueinander bewegt werden, um somit das
Übertragungselement freizugeben oder zu klemmen und so zu fixieren.
In weiterer Ausgestaltung ist das Stellglied zumindest bereichsweise zwischen den Lagerteilen angeordnet. Dadurch können die Relativbewegungen zwischen den
Lagerteilen zum Halten (Fixieren) oder Freigeben des Übertragungselements besonders effizient und zumindest im Wesentlichen direkt bewirkt und den Lagerteilen aufgeprägt werden. Dadurch ist die Klemmbremse besonders schnell, das heißt in besonders kurzer Zeit, zwischen dem Freigabezustand und dem Bremszustand schaltbar. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis auch in einer nur kurzen Zeitspanne besonders häufig verstellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Lagerteile mittels wenigstens eines Verbindungsmittels, insbesondere einer Schraube, miteinander verspannt, wobei die Lagerteile bevorzugt über das Stellglied miteinander verspannt sind. Infolge dieser Verspannung ist es möglich, die Relativbewegung zwischen den
Lagerteilen zum Halten oder Freigeben des Übertragungselements derart zu bewirken, dass das Stellglied beispielsweise lediglich zur Schaltung des Bremszustands oder lediglich zur Schaltung des Freigabezustands mit Energie, insbesondere elektrischem Strom beziehungsweise elektrischer Spannung, versorgt wird. Infolge der Verspannung stellt sich dann der entsprechend andere Zustand, das heißt ausgehend von dem
Bremszustand der Freigabezustand, beziehungsweise ausgehend von dem
Freigabezustand der Bremszustand, infolge der Verspannung der Lagerteile mittels des Verbindungsmittels zumindest im Wesentlichen selbsttätig aufgrund von Elastizitäten und Rückfedereffekten der Lagerteile und des Verbindungsmittels ein, wenn das Versorgen des Stellglieds mit Energie beendet wird. Dies bedeutet, dass nicht immer zum Ändern des Zustands Energie aufgewendet werden muss, was den Energiebedarf der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gering hält. Damit einher geht ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch und damit geringe C02-Emissionen der
Verbrennungskraftmaschine.
Das Stellglied ist vorteilhafterweise als Piezo-Aktor ausgebildet. Der Piezo-Aktor umfasst beispielsweise wenigstens einen Piezo-Stack mit Piezo-Elementen. Dadurch weist das Stellglied einen nur sehr geringen Bauraumbedarf sowie einen nur sehr geringen
Energiebedarf auf und ermöglicht das schnelle Schalten zwischen dem Freigabezustand und dem Bremszustand.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Lagerelement ein Gehäuse eines Getriebes der Stelleinrichtung, über welches das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist, wobei die Lagerteile durch Wandungsteile des Gehäuses gebildet sind. Dies bedeutet, dass das Lagerelement und die Lagerteile und somit die Klemmbremse zumindest teilweise in das Gehäuse des Getriebes integriert sind. Dies hält den
Bauraumbedarf, die Teilezahl, die Kosten und das Gewicht der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gering. Ein weiterer Vorteil dieser Integration ist, dass das Gehäuse bevorzugt sehr fest insbesondere gegenüber Drehmomenten an dem Gehäuseelement, insbesondere dem Kurbelgehäuse, der Verbrennungskraftmaschine befestigt ist.
Insbesondere ist das Gehäuse des Getriebes mit dem Gehäuseelement der
Verbrennungskraftmaschine besonders fest verschraubt. So können auch hohe Kräfte und/oder Drehmomente, welche auf die Stelleinrichtung und insbesondere auf das Übertragungselement wirken, abgestützt werden. Damit kann ein unerwünschtes
Verstellen des eingestellten Verdichtungsverhältnisses infolge der von dem Brennraum auf die Stelleinrichtung wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente verhindert werden.
In weiterer Ausgestaltung ist das Übertragungselement als ein Zahnrad des Getriebes ausgebildet. Das Zahnrad ist über die Lagerteile um eine Drehachse relativ zu den Lagerteilen drehbar an dem Gehäuse des Getriebes gelagert. Dies bedeutet, dass mittels der Klemmbremse das Zahnrad als das Übertragungselement fixiert werden kann, so dass das Verdichtungsverhältnis über das Zahnrad gehalten und gegen eine
unerwünschte Verstellung gesichert werden kann. Dadurch ist es möglich, Wirkflächen zum Halten des Zahnrads und damit des Verdichtungsverhältnisses auf einem besonders großen Durchmesser anzuordnen, so dass besonders hohe Bremsmomente darstellbar sind. So können auch besonders hohe Kräfte und/oder Drehmomente, welche insbesondere von dem Brennraum auf das Übertragungselement wirken, abgestützt werden.
Bevorzugt weist das Zahnrad einen Bund oder dergleichen Absatz auf, über welchen das Zahnrad relativ zu den Lagerteilen fixierbar und über welchen das Zahnrad sowie über die Lagerteile an dem Gehäuse gelagert ist. Der Bund oder dergleichen Absatz kann auf einem besonders großen Durchmesser oder Radius angeordnet sein, was die Darstellung besonders hoher Bremsmomente ermöglicht. Auch bei dieser Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Stelleinrichtung einen sehr geringen Bauraumbedarf sowie ein sehr geringes Gewicht auf, da die Klemmbremse zumindest teilweise in das Getriebe integriert ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Lagerungsanordnung einer
Welle an einem Lagerelement, bei welcher die Welle über zwei Lagerteile um eine Drehachse relativ zu den Lagerteilen drehbar an dem Lagerelement gelagert ist, wobei ein Stellglied vorgesehen ist, mittels welchem zum Fixieren der Welle, relativ zu den Lagerteilen eine
Relativbewegung zwischen den Lagerteilen bewirkbar ist;
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der
Lagerungsanordnung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht der Lagerungsanordnung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der
Lagerungsanordnung gemäß den Fig. 1 bis Fig. 3; Fig. 5 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Ansicht einer Stelleinrichtung zum zylinderindividuellen Einstellen von Verdichtungsverhältnissen einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 6 drei Schaubilder zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung gemäß der Fig. 1 bis Fig. 5;
Fig. 7 drei Schaubilder zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des Verfahren gemäß der Fig. 1 bis Fig. 5; und
Fig. 8 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer weiteren
Ausführungsform der Stelleinrichtung gemäß Fig. 5.
Die Fig. 1 zeigt eine Lagerungsanordnung 10 einer Welle 12 an einem Lagerelement 14, bei welcher die Welle 12 um eine Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 drehbar an diesem gelagert ist. Dazu umfasst das Lagerelement 14 ein Gestell 18, insbesondere ein Maschinengestell. Das Gestell 18 ist beispielsweise ein Gehäuseteil eines Gehäuses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, in welchem die Welle 12 zumindest bereichsweise aufgenommen ist.
Das Lagerelement 14 umfasst ferner einen Lagerdeckel 20, welcher mittels
Spannschrauben 22 mit dem Gestell 18 verschraubt ist. Durch das Gestell 18 ist ein erster Teil einer Lageraufnahme, einer Lagerbohrung, für die Welle 12 gebildet. Durch den Lagerdeckel 20 ist ein zweiter Teil der Lageraufnahme für die Welle 12 gebildet. Durch das Lagerelement 14 ist somit ein geteiltes, insbesondere zweigeteiltes, Lager für die Welle 12 gebildet, durch welches die Welle 12 an dem Lagerelement 14 gelagert ist. Die Welle 12 ist dabei zumindest bereichsweise in der Lageraufnahme und in
verspanntem Zustand des Gestells 18 mit dem Lagerdeckel 20 so eng in der
Lageraufnahme eingespannt, dass ein maximal vorgesehenes Moment, welches auf die Welle 12 wirkt, gerade noch gehalten werden kann, ohne dass sich die Welle 12 relativ zu dem Lagerelement um ihre Drehachse 16 dreht. Dabei ist ein übliches Untermaß für einen Presssitz z.B. 1/1000 des Durchmessers der Lageraufnahme. Eine dazu notwendige Vorspannkraft kann dabei durch die Spannschrauben 22 aufgebracht werden. Zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 sind Piezo-Stacks 24 mit jeweiligen Piezo-Elementen angeordnet und mittels der Spannschrauben 22 eingespannt. Wird an die Piezo-Stacks 24 eine entsprechende elektrische Spannung angelegt, so dehnen sich die Piezo-Stacks 24 zumindest in Richtung des Gestells 18 und/oder in Richtung des Lagerdeckels 20 und somit senkrecht zur Teilung des Lagers aus und stellen eine
Lagerluft von etwa der üblichen Größe eines Gleitlagers ein, wobei es sich beispielsweise um ca. 1/1000 des Durchmessers des Lagers handelt.
Mit anderen Worten, ist an die Piezo-Stacks 24 keine elektrische Spannung angelegt, so ist die Welle 12 mittels der Spannschrauben 22 zwischen dem Gestell 18 und dem
Lagerdeckel 20 geklemmt und relativ zu diesen fixiert, sodass sich die Welle 12 nicht um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und zu dem Lagerdeckel 20 drehen kann. Dieses Klemmen ist dabei auf das maximal auftretende und auf die Welle 12 während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine wirkende Drehmoment abgestimmt, sodass durch das Klemmen dieses Moment abgestützt werden kann und dieses Moment die Welle nicht um die Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 verdrehen kann.
Wird an die Piezo-Stacks 24 eine elektrische Spannung angelegt, so wird dadurch eine Relativbewegung zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bewirkt. Dabei bewegen sich das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 relativ zueinander voneinander weg. Dadurch wird das Klemmen der Welle zwischen dem Gestell 18 und dem
Lagerdeckel 20 verringert oder gar vollständig aufgehoben, sodass die Welle 2 um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 gedreht werden kann. Ist die Welle 12 in eine gewünschte Drehstellung um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 gedreht, so wird das Anlegen der elektrischen Spannung an die Piezo-Stacks 24 aufgehoben. Dies bewirkt eine Relativbewegung des Gestells 18 und des Lagerdeckels 20 aufeinander zu, beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung des Gestells 18 und des Lagerdeckels 20 infolge der
Verschraubung mittels den Spannschrauben 22, sodass die Welle 12 zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 geklemmt und somit relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert wird.
Dadurch ist eine besonders schnell zu schaltende und zumindest im Wesentlichen spielfreie Klemmbremse geschaffen, mittels welcher die Welle schnell, das heißt in kurzer Zeit, relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert oder entsprechend freigegeben werden kann. Durch Modulieren der elektrischen Spannung kann somit ein schnelles Lösen und Abbremsen der Welle 2 erreicht werden, wie es beispielsweise bis mindestens in den kHz-Bereichhinein erfolgen kann.
Ebenso möglich ist eine Umkehrung des bezüglich der Fig. 1 geschilderten Wirkprinzips der Klemmbremse bei der Lagerungsanordnung 0 möglich. Dabei ist die Welle 12 in einem unbestromten Zustand der Piezo-Stacks 24, in welchem an die Piezo-Stacks 24 somit keine elektrische Spannung angelegt wird, freigegeben und um ihre Drehachse 16 relativ zum Lagerelement 14 drehbar. Durch Anlegen der elektrischen Spannung an die Piezo-Stacks ist die Welle relativ zu dem Lagerelement 14 fixiert und geklemmt. Mit anderen Worten, wird an die Piezo-Stacks 24 eine elektrische Spannung angelegt, was als Bestromen bezeichnet wird, so werden das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 relativ zueinander aufeinander zu (nicht voneinander weg) bewegt, wodurch die Welle 12 geklemmt und fixiert wird. Wird das Bestromen aufgehoben, so wird dadurch eine Relativbewegung des Gestells 18 zu dem Lagerdeckel 20 bewirkt, bei welcher das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung sich relativ zueinander voneinander wegbewegen, was mit dem Freigeben der Welle 12 einhergeht.
Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigen eine alternative Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 gemäß Fig. 1. Wie den Fig. 2 und Fig. 3 zu entnehmen ist, ist ein einstückiger Lagerring 26 vorgesehen, über welchen die Welle 12 an dem Lagerelement 14 gelagert ist. Der einstückige Lagerring 26 umfasst ein erstes Lagerteil 28 und einstückig mit dem ersten Lagerteil 28 ausgebildetes zweites Lagerteil 30, welche über einen Schlitz 32 des Lagerrings 26 voneinander beabstandet sind.
Der Lagerring 26 weist Verbindungsflansche 34 auf, über welche er mittels
Flanschschrauben 36 an dem Gestell 18 angeschraubt und so gehalten ist.
In dem Schlitz 32 und somit zwischen dem ersten Lagerteil 28 und dem zweiten Lagerteil 30 ist ein Piezo-Stack 24 mit Piezo-Elementen angeordnet. Die Lagerteile 28 und 30 sind mittels einer Spannschraube 22 über den Piezo-Stack 24 miteinander verspannt, sodass der Piezo-Stack 24 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt ist. Mittels der Spannschraube 22 sind die Lagerteile 28 und 30 miteinander verspannt, sodass die Welle 12 in unbestromtem Zustand des Piezo-Stacks 24 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt ist und sich nicht relativ zum Lagerelement 14 und relativ zum
Lagerring 26 um die Drehachse 16 drehen kann. Analog zu dem zur Lagerungsanordnung 10 gemäß Fig. 1 Geschildertem wird die Welle 12 durch Bestromen des Piezo-Stacks 24 freigegeben, da durch Anlegen der elektrischen Spannung an den Piezo-Stacks 24 die Lagerteile 28 und 30 relativ zueinander voneinander wegbewegt werden, sodass sich der Schlitz 32 vergrößert und die
Klemmung der Welle 12 verringert oder aufgehoben wird. Wird die Bestromung beendet, so wird dadurch ein Aufeinanderzubewegen der Lagerteile 28 und 30 beispielsweise aufgrund von elastischer Rückfederung infolge ihrer Verspannung mittels der
Spannschraube 22 bewirkt, wodurch die Welle 12 geklemmt und relativ zu dem
Lagerelement 14 und dem Lagerring 26 fixiert wird.
Wie bei der Lagerungsanordnung 10 gemäß Fig. 1 ist auch bei der Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 2 und 3 eine Umkehrung dieses geschilderten Wirkprinzips möglich, sodass durch Bestromen des Piezo-Stacks 24 ein Aufeinanderzubewegen der Lagerteil 28 und 30 und somit ein Klemmen der Welle 12 bewirkt wird. Durch Aufheben der Bestromung wird eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen 28 und 30 bewirkt, durch welche sich die Lagerteile 28 und 30 voneinander wegbewegen, was mit dem Freigeben der Welle 12 einhergeht.
Bei dem Lagerring 26 handelt es sich somit um einen Bremsflansch, mittels welchem die Welle relativ zu dem Lagerelement 14 fixierbar und freigebbar ist. Wie insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, weisen die Verbindungsflansche 34 Aussparungen 38 auf, welche eine zumindest im Wesentlichen freie Beweglichkeit in Richtung des Öffnens und Schließens der Bremse ermöglichen. Das Mitdrehen des gesamten Bremsflansches wird jedoch verhindert.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine mehrfache Teilung des Lagers ebenso möglich ist, bei welcher das Lager also in mehr als zwei Teile geteilt ist. Vorteilhafterweise sind Oberflächen des Lagers, an welchem die Welle 12 gelagert ist, derart beschaffen, dass die Oberflächen ein Abbremsen und das Klemmen der Welle 12 auch über eine hohe Lebensdauer hinweg verschleißarm ertragen können. Vorteilhafterweise sind auch die Spannschrauben 22 derart ausgestaltet, dass sie häufige Relativbewegungen zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen können. Das Klemmen der Welle kann auch ergänzend oder alternativ dazu genutzt werden, eine axiale Bewegung der Welle 12 relativ zu dem Lagerelement 14 zu vermeiden. Dies bedeutet, dass durch Klemmen der Welle zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 nicht nur eine Drehung der Welle 12 um ihre Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 sondern auch eine axiale Bewegung der Welle 12 entlang ihrer Drehachse 16 verhindert werden kann.
Anstelle der Piezo-Stacks 24 sind auch anderweitige Stellglieder wie beispielsweise elektromagnetisch betätigbare Aktoren verwendbar.
Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 1 bis Fig. 3. Es ist ein Piezo-Stack 24 sowie ein Verstärkungselement 40 vorgesehen, über welche das Gestell 18 und der Lagerdeckel 20 mittels der
Spannschrauben 22 miteinander verspannt sind. Bei dieser Ausführungsform der Lagerungsanordnung 10 wird das Lager durch die Spannschrauben 22 in seine übliche Form gebracht. Durch Bestromen des Piezo-Stacks wird das Lager zusätzlich verspannt, sodass das Lagerspiel zu Null wird und eine Bremswirkung erzielt wird. Dies bedeutet, dass durch Bestromen des Piezo-Stacks (Anlegen der elektrischen Spannung) die Welle 12 an dem Lagerelement 14 fixiert wird, sodass sich die Welle 2 nicht um ihre
Drehachse 16 relativ zu dem Lagerelement 14 drehen und auch nicht relativ zu diesem axial bewegen kann.
Das Verstärkungselement 40, welches beispielsweise zumindest im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist, leitet eine von dem Piezo-Stack 24 wirkende Kraft gezielt auf das Lager.
Bei den Lagerungsanordnungen 10 gemäß den Fig. 1 bis Fig. 4 ist es ebenso möglich, einzelne, den jeweiligen Spannschrauben 22 zugeordnete Piezo-Stacks zu verwenden, an welchen jeweilige Schraubenköpfe der Spannschrauben 22 abgestützt sind. Dadurch kann durch Bestromen und Aufheben der Bestromung eine jeweilige Längenveränderung der jeweiligen Spannschraube 22 bewirkt werden, wodurch entsprechende
Relativbewegungen zwischen dem Gestell 18 und dem Lagerdeckel 20 bzw. zwischen den Lagerteilen 28 und 30 zum Klemmen bzw. Freigeben der Welle 12 bewirkt werden können.
Die Fig. 5 zeigt eine Stelleinrichtung 42 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine unabhängig voneinander variabel einstellbar sind. Die Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine weist beispielsweise vier Zylinder auf, welche jeweils ein variabel einstellares Verdichtungsverhältnis aufweisen. Dies bedeutet, dass jedes einzelne Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Zylinder variabel und unabhängig von den jeweiligen anderen Verdichtungsverhältnissen der andern Zylinder eingestellt werden kann. Dies bedeutet, dass die Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell einstellbar bzw. verstellbar und an thermodynamische Erfordernisse des entsprechenden Zylinders anpassbar sind. Dadurch kann beispielsweise ein erster der Zylinder mit einem ersten Verdichtungsverhältnis betrieben werden, welches sich von einem zweiten
Verdichtungsverhältnis eines zweiten der Zylinder unterscheidet.
Zur Darstellung der zylinderindividuellen Einstellbarkeit bzw. Verstellbarkeit der
Verdichtungsverhältnisse umfasst die Stelleinrichtung 42 eine Stellwelle 44, welche vier Teilwellen 46, 48, 50 und 52 umfasst. Die Teilwelle 46 ist dabei einem ersten der Zylinder zugeordnet, während die Teilwelle 48 einem zweiten der Zylinder zugeordnet ist.
Dementsprechend ist die Teilwelle 50 einem dritten der Zylinder zugeordnet, während die Teilwelle 52 dem vierten Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist.
Die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 sind dabei um jeweilige Drehachsen 54 relativ zu einem Kurbelgehäuse 56 der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine drehbar an dem
Kurbelgehäuse 56 gelagert. Das Kurbelgehäuse 56 umfasst dabei Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66, durch welche im Zusammenwirken mit entsprechenden Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 eine Lagergasse 68 gebildet ist, an welcher die Stellwelle 44 gelagert ist. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, sind die Drehachsen 54 dabei koaxial zueinander angeordnet.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es ohne Weiteres möglich ist, die anhand der Fig. 5 gezeigte Stelleinrichtung 42 analog auf Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen anzuwenden, welche eine von vier unterschiedliche Anzahl an Zylindern aufweisen. Dabei korrespondiert die Anzahl der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 mit der Anzahl an Zylindern. Mit anderen Worten umfasst die Stelleinrichtung 42 zumindest so viele Teilwellen 46, 48, 50 und 52 wie die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine Zylinder umfasst.
Die Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66 sind beispielsweise durch einen jeweiligen
Lagerdeckel wie der Lagerdeckel 20 der Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 1 bis 4 ausgebildet. Dabei sind die Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 und 66 beispielsweise mittels Spannschrauben 22 mit den Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 zur Ausbildung der Lagergasse 68 verbunden, sodass die Gehäuseteile des Kurbelgehäuses 56
beispielsweise analog zu dem Gestell 18 der Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 1 bis 4 gegeben sind. Die Lagerdeckel 60, 62, 64 und 66 sind dabei mit wenigstens einem jeweiligen Piezo- Stack 24 versehen, mittels welchem eine jeweilige Relativbewegung des
korrespondierenden Lagerdeckels 60, 62, 64 und 66 relativ zu dem zugehörigen
Gehäuseteil des Kurbelgehäuses 56 analog zu den Piezo-Stacks 24 der
Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 1 bis 4 bewirkbar ist. Dadurch können die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 individuell und unabhängig von den jeweils anderen
Teilwellen 46, 48, 50 und 52 geklemmt und somit fixiert oder freigegeben werden.
Dadurch ist bei der Stelleinrichtung 42 die anhand der Fig. 1 bis 4 geschilderte schnelle, spielfreie und kompakte Klemmbremse realisiert, sodass das jeweils eingestellte, zylinderindividuelle Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen auf einen konstanten Wert über eine gewisse Zeitdauer hinweg gehalten werden kann. Da jeder der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 wenigstens ein eigener Piezo-Stack 24 zugeordnet ist und somit jede der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 individuell freigegeben oder fixiert werden kann, kann somit eine Einstellung bzw. Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für jeden der Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine individuell vorgenommen werden.
Die Teilwellen 46, 48 und 50 weisen jeweils eine Lageraufnahme 70, 72 und 74 auf, in welchen die jeweilig folgende Teilwelle 48, 50 und 52 bereichsweise aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass somit die Teilwellen 46, 48 50 und 52 zumindest teilweise
gegenseitig gelagert sind, was den Bauraumbedarf, das Gewicht, die Teileanzahl und die Kosten der Stelleinrichtung 42 gering hält. Die einerseits gegenseitig gelagerten
Teilwellen 46, 48, 50 und 52 sind andererseits durch die Klemmbremse gelagert, mittels welcher die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 relativ zu den Lagerdeckeln 58, 60, 62 und 64 und zu den korrespondierenden Gehäuseteilen fixierbar oder freigebbar sind. Der Lagerdeckel 58 ist dabei nicht mit einem Piezo-Stack 24 versehen, da der Piezo-Stack 24 des Lagerdeckels 60 zu der Teilwelle 46 korrespondiert und dieser ausreicht, um die Teilwelle 46 relativ zu den Lagerdeckeln 58 und 60 und zu den korrespondierenden Gehäuseteilen des Kurbelgehäuses 56 zu fixieren.
Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweilige Diagramme 76, 78 und 80, anhand welchen ein
Verfahren zum zylinderindividuellen Einstellen bzw. Verstellen der
Verdichtungsverhältnisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß Fig. 5 veranschaulicht ist. Auf den Abszissen 82 der Diagramme 76, 78 und 80 ist der
Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in Grad Kurbelwinkel gemäß einem Richtungspfeil 84 ansteigend aufgetragen. Die Kurbelwelle ist dabei mittelbar mit den in den Zylindern aufgenommenen Kolben gelenkig gekoppelt und dient dazu, die translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern relativ zu diesen in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umzuwandeln.
Auf der Ordinate 85 des Diagramms 76 ist der Drehwinkel der Stellwelle 44 oder einer der Teilwellen 46, 48, 50 oder 52 gemäß einem Richtungspfeil 86 ansteigend aufgetragen, welcher stellvertretend für die Drehwinkel aller Teilwellen 46, 48, 50 und 52 angesehen werden kann. In dem Diagramm 76 ist ein Verlauf 88 eingetragen. Anhand des Verlaufs 88 ist erkennbar, dass die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 über dem ansteigenden Kurbelwinkel um ihre Drehachse 54 zu verdrehen ist, um so den zugehörigen Kolben in dem Zylinder relativ zu diesem zu verschieben und so das korrespondierende Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders einzustellen. Wie dem Verlauf 88 ferner zu entnehmen ist, erfolgt dabei die Verdrehung der
entsprechenden Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre zugehörige Drehachse 54 stufenweise. Dies resultiert daraus, dass der zugehörige Piezo-Stack 24 und
entsprechend die durch diesen realisierte Klemmbremse abwechselnd die Stellwelle 44 bzw. die korrespondierende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 freigibt und fixiert. Dies ist anhand eines Verlaufs 90 in dem Diagramm 78 zu erkennen. Auf der Ordinate 92 des Diagramms 78 ist mit B ein Bremszustand des zugehörigen Piezo-Stacks 24 bezeichnet, während mit F ein Freigabezustand des Piezo-Stacks 24 bezeichnet ist.
Befindet sich der Piezo-Stack 24 und damit die durch diesen realisierte Klemmbremse in dem Freigabezustand F, so kann sich die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre Drehachse 54 drehen. Befindet sich der Piezo-Stack 24 und damit die durch diesen realisierte Klemmbremse in dem Bremszustand B, so ist die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50, 52 zwischen dem entsprechenden
Lagerdeckel 58, 60, 62, 64 oder 66 und dem zugehörigen Gehäuseteil des
Kurbelgehäuses 56 geklemmt und somit fixiert, sodass sie sich nicht um ihre Drehachse 54 drehen kann.
Das Verdrehen der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 um ihre zugehörige Drehachse 54 erfolgt dabei zumindest im Wesentlichen passiv unter Ausnutzung von Kräften und/oder Drehmomenten, welche aus Verbrennungsvorgängen in dem
zugehörigen Zylinder resultieren und welche ausgehend von diesem Zylinder über den Kolben auf die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 wirken. Befindet sich der Piezo-Stack 24 in dem Freigabezustand F, so können diese über eine gewisse Zeitspanne bzw. über einen gewissen Grad Kurbelwinkel der Kurbelwelle wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente die Teilwelle 46, 48, 50 und 52 verdrehen. Ein aktives Aufbringen und Aufwenden von Stellkräften und/oder Drehmomenten,
beispielsweise durch einen aktiven Aktor zum Einstellen bzw. Verstellen eines
Verdichtungsverhältnisses ist nicht vorgesehen und nicht vonnöten. Dies hält den
Energieaufwand der Stelleinrichtung 42 gering, sodass die zugehörige Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und geringen C02- Emissionen betrieben werden kann.
In dem Diagramm 80 ist ein Verlauf 94 eingetragen, welcher ein auf die Stellwelle 44 bzw. die entsprechende Teilwelle 46, 48, 50 und/oder 52 wirkendes Drehmoment
charakterisiert. Auf der Ordinate 96 sind dabei der Werte des Drehmoments aufgetragen, wobei die Ordinate 96 durch den Wert Null für das Drehmoment in einem positiven Bereich P und in einen negativen Bereich N aufgeteilt ist. Daraus ist es ersichtlich, dass es sich bei dem Drehmoment um ein wechselndes Drehmoments handelt, welches positiv (positiver Bereich P) und negativ (negativer Bereich N) sein kann und entsprechend auf die Stellwelle 44 bzw. die zugehörige Teilwelle 46, 48, 50 und 52 wirkt. Dies bedeutet, dass auf die Stellwelle 44 bzw. die Teilwellen 46, 48, 50 und 52 während des Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine Wechselmomente wirken, die es gestatten, die Verdichtungsverhältnisse rein und durch einen zeitlich zumindest im Wesentlichen genau festgelegten Bremseingriff bzw. durch die Bremseingriffe zu realisieren.
Bewirkt beispielsweise das Drehmoment in dem positiven Bereich P ein Drehen der Stellwelle 44 bzw. der entsprechenden Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in eine erste
Drehrichtung, was mit einer gewünschten Einstellung bzw. Verstellung des zugehörigen Verdichtungsverhältnisses einhergeht, und wirkt das positive Drehmoment aktuell auf die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52, so wird dann die Klemmbremse gelöst, so dass das positive Drehmoment die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 gewünscht verdreht. Ist demgegenüber eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in eine zweite, der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung erwünscht, und wirkt jedoch das positive Drehmoment (was eine Bewegung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in die erste Drehrichtung bewirken würde), so wird die Klemmbremse geschlossen, so dass die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 fixiert wird und sich nicht drehen kann. Wechselt das
Drehmoment dann ins Negative (in den negativen Bereich N) und bewirkt somit das Drehen der Stellwelle 44 bzw. der Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 in die gewünschte, zweite Bewegungsrichtung, so wird die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 freigegeben
(Freigabezustand F), sodass das negative Drehmoment die Stellwelle 44 bzw. die Teilwelle 46, 48, 50 oder 52 gewünschterweise in die zweite Drehrichtung dreht und sodass das Verdichtungsverhältnis gewünscht eingestellt werden kann.
Die Stelleinrichtung 42 umfasst somit passive Stellglieder, welche als Bremseinrichtungen in Form der Klemmbremse bzw. der Klemmbremsen ausgebildet sind. D. h., das eine eigentliche Stellenergie zum Einstellen bzw. Verstellen der Verdichtungsverhältnisse nicht aktiv aufzuwenden ist und vielmehr zumindest im Wesentlichen direkt den Brennräumen bzw. einem Kurbeltrieb mit den Kolben und der Kurbelwelle entnommen wird. Es wird lediglich eine Energie, insbesondere elektrischer Strom, zum Versorgen der Piezo-Stacks 24 mit der elektrischen Spannung benötigt. Diese Energie ist jedoch besonders gering.
Die Piezo-Stacks 24 sind weiterhin insofern vorteilhaft, dass sie nur geringe
Massenträgheiten aufweisen und somit sehr schnell zwischen den jeweiligen
Freigabezuständen F und den jeweiligen Bremszuständen B schaltbar sind. So können die Verdichtungsverhältnisse in einer kurzen Zeit verstellt und bedarfsgerecht eingestellt werden.
Die Fig. 6 zeigt, wie geschildert, eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 bzw. einer der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 unabhängig von den anderen Teilwellen 46, 48, 50 und 52 in eine, beispielsweise die erste, Drehrichtung. Die Fig. 7 zeigt eine Drehung der Stellwelle 44 bzw. der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 bzw. einer der Teilwellen 46, 48, 50 und 52 zunächst in die erste und zeitlich anschließend in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung.
Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stelleinrichtung 42 gemäß Fig. 5. Die der Stelleinrichtung 42 gemäß Fig. 8 zugeordnete Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine weist ebenso eine Mehrzahl von Zylindern mit einem
Verdichtungsverhältnis auf, welches variabel einstellbar ist. Im Gegensatz zu der der Stelleinrichtung 42 gemäß Fig. 5 zugeordneten Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine sind diese Verdichtungsverhältnisse nun allerdings gemeinsam, das heißt gleichzeitig und in gegenseitiger Abhängigkeit, einstellbar. Dazu ist die Stellwelle 44 einstückig und als Exzenterwelle mit einer Mehrzahl von Exzentern ausgebildet. Die Anzahl der Exzenter korrespondiert dabei zur Anzahl der Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Ein Drehen der Stellwelle 44 um die Drehachse 54 bewirkt ein Verdrehen jeweiliger, den Zylindern zugeordneter Querhebel relativ zu jeweiligen Hubzapfen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine, an welchen die Querhebel relativ zu den Hubzapfen drehbar gelagert sind. Zum Verdrehen der Stellwelle 44 ist beispielsweise ein Aktor in Form eines Elektromotors vorgesehen, welcher zum Verdrehen der Stellwelle 44 mit elektrischem Strom versorgt wird. Der Elektromotor stellt ein Drehmoment bereit, welches zum Verdrehen der
Stellwelle 44 um die Drehachse 54 auf die Stellwelle 44 übertragen und in diese eingeleitet wird. In einem Drehmomentenfluss von dem Elektromotor auf die Stellwelle 44 ist zwischen dem Elektromotor und der Stellwelle 44 ein Getriebe 98 der Stelleinrichtung 42 angeordnet, welches eine von Eins (1 ) unterschiedliche Übersetzung aufweist. Das Getriebe 98 ermöglicht es, das von dem Elektromotor bereitgestellte Drehmoment in ein dazu insbesondere betragsmäßig höheres Drehmoment umzuwandeln und dieses höhere Drehmoment als Stellmoment in die Stellwelle 44 einzuleiten.
Dies bedeutet, dass der Elektromotor lediglich geringe Drehmomente aufbringen muss, welche mittels des Getriebes 98 in demgegenüber höhere Drehmomente (Stellmomente) umgewandelt werden. Dies hält den Energiebedarf des Elektromotors gering. Gleichzeitig kann das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise können die Verdichtungsverhältnisse auch entgegen hohen und von den jeweiligen Brennräumen wirkenden Kräften und/oder Drehmomenten eingestellt beziehungsweise verstellt werden.
Das Getriebe 98 umfasst ein erstes, in der Fig. 8 nicht dargestelltes Zahnrad sowie wenigstens ein zweites Zahnrad 100, welches eine Verzahnung 102 aufweist. Das Zahnrad 100 steht über dessen Verzahnung 102 und eine dazu korrespondierende Verzahnung des ersten Zahnrads mit dem ersten Zahnrad im Eingriff, so dass das von dem Elektromotor bereitgestellte Drehmoment von dem ersten auf das zweite Zahnrad 100 übertragen werden kann. Das zweite Zahnrad 100 ist dabei drehfest mit der
Stellwelle 44 verbunden, so dass das von dem ersten auf das zweite Zahnrad 100 übertragene Drehmoment auf die Stellwelle 44 übertragen werden kann.
Das Getriebe 98 umfasst ein Getriebegehäuse 104, an welchem das zweite Zahnrad 100 um die Drehachse 54 relativ zu dem Getriebegehäuse 104 drehbar gelagert ist. Das Getriebegehäuse 104 hat dabei zumindest den Zweck und die Aufgabe des Lagerrings 26 der Lagerungsanordnung 10 gemäß Fig. 2. Auch durch das Getriebegehäuse 104 sind Lagerteile 28 und 30 gebildet, welche einstückig mit dem Getriebegehäuse 104 und somit einstückig miteinander ausgebildet und über einen Schlitz 32 teilweise voneinander beabstandet sind. In dem Schlitz 32 ist nun ein Piezo-Stack 24 angeordnet, welcher Relativbewegungen zwischen den Lagerteilen 28 und 30 bewirken kann, so dass das zweite Zahnrad 100 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt und somit relativ zu dem Getriebegehäuse 104 fixiert oder demgegenüber freigegeben werden kann.
Dem Lagerteil 28 ist eine erste Lasche 106 zugeordnet. Dem Lagerteil 30 ist eine dazu korrespondierende zweite Lasche 108 zugeordnet. Die Lagerteile 28 und 30 sind über die Laschen 106 und 108 mittels einer Spannschraube 22 miteinander verspannt, so dass in einem unbestromten Zustand des Piezo-Stacks 24, das heißt wenn an diesen keine elektrische Spannung anliegt, das zweite Zahnrad 100 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt ist und relativ zu dem Getriebegehäuse 104 (Lagerelement 14) nicht um die Drehachse 54 verdreht werden kann.
Wird an den Piezo-Stack 24 eine elektrische Spannung angelegt, so bewirkt der Piezo- Stack 24 eine Vergrößerung des Schlitzes 32, so dass die Lagerteile 28 und 30 voneinander wegbewegt werden. Dadurch wird die Klemmung des zweiten Zahnrads 100 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 verringert oder vollständig aufgehoben, so dass das zweite Zahnrad 100 relativ zu dem Getriebegehäuse 104, in welchem das Zahnrad 100 gelagert ist, um die Drehachse 54 gedreht werden kann.
Wird das Anlegen der elektrischen Spannung an dem Piezo-Stack 24 aufgehoben, so bewirkt dieser eine Relativbewegung der Lagerteile 28 und 30, bei welcher sich die Lagerteile 28 und 30 aufeinander zu bewegen. Dies geht mit einer Verkleinerung des Schlitzes 32 einher. Dadurch wird das zweite Zahnrad 100 zwischen den Lagerteilen 28 und 30 geklemmt, so dass es nicht (mehr) relativ zu dem Getriebegehäuse 04 um die Drehachse 54 gedreht werden kann. Da die Stellwelle 44 drehfest mit dem zweiten Zahnrad 100 verbunden ist, bewirkt das Freigeben und Klemmen des zweiten Zahnrads 100 auch ein dementsprechendes Klemmen und Fixieren beziehungsweise Freigeben der Stellwelle 44 relativ zu dem Getriebegehäuse 104 analog zu der Lagerungsanordnung 10 gemäß den Fig. 1 bis 4 und zur Stelleinrichtung 42 gemäß Fig. 5. Bezugszeichenliste
10 Lagerungsanordnung
12 Welle
14 Lagerelement
16 Drehachse
18 Gestell
20 Lagerdeckel
22 Spannschraube
24 Piezo-Stack
26 Lagerring
28 Erstes Lagerteil
30 Zweites Lagerteil
32 Schlitz
34 Verbindungsflansch
36 Flanschschraube
38 Aussparung
40 Verstärkungselement
42 Stelleinrichtung
44 Stellwelle
46 Teilwelle
48 Teilwelle
50 Teilwelle
52 Teilwelle
54 Drehachse
56 Kurbelgehäuse
58 Lagerdeckel
60 Lagedeckel
62 Lagerdeckel 64 Lagerdeckel
66 Lagerdeckel
68 Lagergasse
70 Lageraufnahme
72 Lageraufnahme
74 Lageraufnahme
76 Diagramm
78 Diagramm
80 Diagramm
82 Abszisse
84 Richtungspfeil
85 Ordinate
86 Richtungspfeil
88 Verlauf
90 Verlauf
92 Ordinate
94 Verlauf
96 Ordinate
98 Getriebe
100 zweites Zahnrad
102 Verzahnung
104 Getriebegehäuse
106 Lasche
108 Lasche
B Bremszustand
F Freigabezustand
N negativer Bereich
P positiver Bereich

Claims

Patentansprüche
Stelleinrichtung (42) zum variablen Einstellen wenigstens eines
Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem
Übertragungselement (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100), über welches das
Verdichtungsverhältnis einstellbar ist und welches über wenigstens zwei Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) relativ zu den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) bewegbar an einem Lagerelement (14, 56, 104) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Stellglied (24) vorgesehen ist, mittels welchem zum Fixieren des Übertragungselements (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) relativ zu den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) infolge eines Klemmens des Übertragungselements (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) zwischen den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) eine Relativbewegung zwischen den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) bewirkbar ist.
Stelleinrichtung (42) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Lagern des Übertragungselements (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) an dem Lagerelement (14, 56, 104) eine Lageraufnahme vorgesehen ist, welche teilweise durch eines der Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) und teilweise durch das andere Lagerteil (18, 20, 28, 30, 58) gebildet ist.
Stelleinrichtung (42) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) als voneinander separate Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) ausgebildet sind.
Stelleinrichtung (42) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) einstückig miteinander ausgebildet und durch wenigstens einen Spalt (32), Schlitz oder dergleichen bereichsweise voneinander beabstandet sind.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellglied (24) zumindest bereichsweise zwischen den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) angeordnet ist.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) mittels wenigstens eines Verbindungsmittels (22), insbesondere einer Schraube (22), miteinander, insbesondere über das Stellglied (24), verspannt sind.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellglied (24) als Piezo-Aktor (24) ausgebildet ist.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lagerelement (14, 56, 104) ein Gehäuse (104) eines Getriebes (98) der Stelleinrichtung (42) ist, über welches das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist, wobei die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) durch Wandungsteile des Gehäuses (104) gebildet sind.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Übertragungselement (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) als Stellwelle (12, 44, 46, 48, 50, 52) der Stelleinrichtung (42) ausgebildet ist, welche über die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) um eine Drehachse (16, 54) relativ zu dem Lagerelement (14, 56, 104), insbesondere einem Gehäuseelement der Stelleinrichtung (42), drehbar an dem Lagerelement (14, 56, 104) gelagert ist.
Stelleinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Getriebe (98) vorgesehen ist, welches wenigstens ein Zahnrad (100) als das Übertragungselement (12, 44, 46, 48, 50, 52, 100) umfasst, das über die Lagerteile (18, 20, 28, 30, 58) um eine Drehachse (16, 54) relativ zu den Lagerteilen (18, 20, 28, 30, 58) drehbar an einem Gehäuse (104) des Getriebes (98) gelagert ist.
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