WO2018083252A1 - Längenverstellbare pleuelstange mit einer zylinder-kolben-einheit mit ölführungsstange - Google Patents

Längenverstellbare pleuelstange mit einer zylinder-kolben-einheit mit ölführungsstange Download PDF

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WO2018083252A1
WO2018083252A1 PCT/EP2017/078207 EP2017078207W WO2018083252A1 WO 2018083252 A1 WO2018083252 A1 WO 2018083252A1 EP 2017078207 W EP2017078207 W EP 2017078207W WO 2018083252 A1 WO2018083252 A1 WO 2018083252A1
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WO
WIPO (PCT)
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connecting rod
piston
cylinder
oil
pressure chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/078207
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English (en)
French (fr)
Inventor
Zoltán Riba
Kai Arens
Martin Bodensteiner
Steffen Latz
Malte Heller
Original Assignee
Iwis Motorsysteme Gmbh & Co. Kg
Avl List Gmbh
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Iwis Motorsysteme Gmbh & Co. Kg, Avl List Gmbh filed Critical Iwis Motorsysteme Gmbh & Co. Kg
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Classifications

    • 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
    • F02B75/045—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable connecting rod length
    • 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
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/06—Adjustable connecting-rods

Definitions

  • the present invention relates to a length-adjustable connecting rod for an internal combustion engine having a first connecting rod, a second connecting rod and at least one cylinder-piston unit to adjust the first connecting rod relative to the second connecting rod, the cylinder-piston unit comprises a housing with a Cylinder bore, a piston arranged longitudinally movably adjusting and at least one provided in the cylinder bore pressure chamber comprises. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with such a length-adjustable connecting rod and the use of such a cylinder-piston unit for a length-adjustable connecting rod of an internal combustion engine.
  • the compression ratio can not be increased arbitrarily, since too high a compression ratio leads to an unintentional spontaneous combustion of the combustion mixture due to pressure and temperature increase.
  • This early combustion not only leads to a troubled run and the so-called knocking in gasoline engines, but can also lead to component damage to the engine.
  • the risk of spontaneous combustion is lower, which, in addition to the influence of ambient temperature and pressure, also depends on the operating point of the engine. Accordingly, a higher compression ratio is possible in the partial load range. In the development of modern internal combustion engines, there are therefore efforts to adjust the compression ratio to the respective operating point of the engine.
  • VCR variable compression ratio
  • EP 1 426 584 A1 A discontinuous adjustment of the compression ratio for an internal combustion engine is shown in EP 1 426 584 A1, in which an eccentric connected to the piston pin makes it possible to adjust the compression ratio.
  • DE 10 2005 055 199 A1 likewise discloses the mode of operation of a length-variable connecting rod with which different compression ratios are made possible. The realization is also done here via an eccentric in the small connecting rod, which is fixed in position by two hydraulic cylinders with variable resistance.
  • WO 2013/092364 A1 describes a length-adjustable connecting rod for an internal combustion engine with two telescopically movable rod parts, wherein a rod part forms a cylinder and the second rod part forms a longitudinally displaceable piston element. Between the adjusting piston of the first rod part and the cylinder of the second rod part, a high-pressure space is formed, which is supplied via a hydraulic adjusting mechanism with an oil passage and an oil pressure-dependent valve with engine oil.
  • WO 2015/055582 A2 A similar length-adjustable connecting rod for an internal combustion engine with telescopically displaceable rod parts is shown in WO 2015/055582 A2.
  • the compression ratio in the internal combustion engine should be adjusted by the connecting rod length.
  • the connecting rod length affects the compression volume in the combustion chamber, wherein the stroke volume is determined by the position of the crankshaft journal and the cylinder bore.
  • a short connecting rod therefore leads to a lower compression ratio than a long connecting rod with otherwise identical geometrical dimensions, eg piston, cylinder head, crankshaft, valve control, etc.
  • the connecting rod length is hydraulically varied between two positions. In this case, the entire connecting rod is made of several parts, wherein the change in length is effected by a telescopic mechanism, which by means of a double-acting Hydraulikzylin- ders is adjustable.
  • the small connecting rod eye is connected to a piston rod (telescopic rod part).
  • the associated adjusting piston is axially displaceably guided in a cylinder which is arranged in the connecting rod part with the large connecting rod eye, usually for receiving the crankshaft journal.
  • the adjusting piston separates the cylinder into two pressure chambers, an upper and a lower pressure chamber. These two pressure chambers are supplied with engine oil via a hydraulic adjusting mechanism, whereby the supply of engine oil takes place via the lubrication of the connecting rod bearing.
  • an oil passage from the crankshaft journal over the connecting rod bearing to the connecting rod and there via the check valves of the adjusting mechanism in the pressure chambers is required.
  • the connecting rod is in the long position, there is no engine oil in the upper pressure chamber.
  • the lower pressure chamber is completely filled with engine oil.
  • the connecting rod is loaded alternately due to the gas and inertial forces on train and pressure.
  • a tensile force is absorbed by the mechanical contact with an upper stop of the adjusting piston.
  • the connecting rod length does not change as a result.
  • An applied compressive force is transmitted via the piston surface to the oil-filled lower pressure chamber. Since the check valve of this chamber prevents the oil return, the oil pressure rises, whereby in the lower pressure chamber very high dynamic pressures of well over 1, 000 bar can arise.
  • the connecting rod length does not change.
  • the connecting rod is hydraulically locked in this direction by the system pressure.
  • the lower pressure chamber is empty, the upper pressure chamber is filled with engine oil.
  • a tensile force causes a pressure increase in the upper pressure chamber.
  • a compressive force is absorbed by a mechanical stop.
  • the connecting rod length can be adjusted in two stages by emptying one of the two pressure chambers.
  • one of the two non-return valves in the inlet is bridged by the adjusting mechanism or an associated return channel is opened. Due to these return passages, engine oil can flow into the crankcase independently of the pressure difference between the pressure chamber and the supply device. The respective check valve loses its effect accordingly.
  • the two return channels are opened and closed by a control valve, always exactly one return channel open, the other is closed.
  • the actuator for switching the two return channels is controlled hydraulically by the supply pressure here.
  • the space for such a connecting rod is limited both axially and radially. In the crankshaft direction of the space is limited by the bearing width and the distance of the counterweights. In the axial direction is anyway only the space between the small connecting rod for the storage of the piston pin and the large bearing eye for the storage of the crankshaft journal and a possible Verstellhub the connecting rod available.
  • the hydraulic connection of the motor oil supply further remote pressure chamber, usually lying in the direction of the small bearing eye upper pressure chamber, in a conventional embodiment of a length-adjustable connecting rod by means of a drilled oil passage in the housing of the cylinder-piston unit.
  • This not only leads to a complex design of the connecting rod with a correspondingly increased wall thickness, but also to local stress concentrations by the notch effect of depressions, grooves, holes and cross holes.
  • the problem of the notch effect of hydraulic supply channels for the engine oil is further increased by the high system pressure in the cylinder-piston unit and the particle load of the engine oil.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a length-adjustable connecting rod with a cylinder-piston unit, which allows a safe and easy oil supply to the pressure chambers of the cylinder-piston unit.
  • the longitudinally movably arranged adjusting piston further forms a second pressure chamber for receiving engine oil and limited on one side, wherein an oil guide rod is provided, the oil guide rod is arranged on a first end side of the adjusting piston, extending through the first pressure chamber of the cylinder Piston unit and is a housing bore in the housing of the cylinder-piston unit longitudinally movably guided, wherein the oil guide rod has an oil supply passage to supply the second pressure chamber with engine oil.
  • a supply of the second pressure chamber of the cylinder-piston unit via the ⁇ lzu Siliconkanal the oil guide rod is a sure way for fast and low-problem supply of the second pressure chamber with engine oil.
  • this ⁇ lzu Swisskanals is easier to implement in a rotationally symmetrical component such as an oil guide rod than in an eccentrically arranged in the housing of the cylinder-piston unit oil passage.
  • the wall of the housing of the cylinder-piston unit or the associated Pleuelteils is not weakened by the provision of an oil passage, which does not adversely affect the limited space for the connecting rod in the crankcase.
  • neither the inner wall of the cylinder bore nor the outer wall of the adjusting piston is influenced by an oil passage and a corresponding sealing of the gap between the cylinder bore and the adjusting piston is not hindered.
  • the ⁇ lzu Georgiakanal in the oil guide rod receives the required for filling the second pressure chamber engine oil from the housing bore, which is connected directly or via a control unit with the oil circuit of the internal combustion engine.
  • the longitudinally movably guided in the housing bore oil guide rod improves the guidance of the adjusting piston in the cylinder bore, thereby reducing the risk of tilting or premature wear due to misalignment of the adjusting.
  • the adjusting piston and the cylinder bore of the cylinder-piston unit are rotationally symmetrical, but not limited to such a geometric shape.
  • a length-adjustable connecting rod according to the present invention also includes oval, polygonal or other cross-sectional shapes of the adjusting piston and the cylinder bore of the cylinder-piston unit.
  • An expedient embodiment provides that the oil feed channel in the oil guide rod leads from the housing bore to the second pressure chamber.
  • Such a structurally simple solution reduces the production effort and allows, in particular with regard to the relatively small dimensions of the length-adjustable connecting rod safe machining.
  • the ⁇ lzu Siliconkanal open directly into the second pressure chamber or branch in the adjusting piston or an associated piston rod in one or more branch channels.
  • a check valve may be provided for supplying the second pressure chamber with engine oil and for fixed positioning of the adjusting piston in the cylinder bore, wherein the check valve is arranged in the oil supply channel.
  • this can be provided on the guided in the housing bore end of the Olersstange.
  • the length-adjustable connecting rod can be provided as a check valve in particular a spring-loaded ball valve.
  • a useful embodiment provides that the oil feed channel is in fluid communication with a drain valve in order to allow a drainage of the engine oil from the second pressure chamber.
  • the provision of a drain valve and the fluid connection to the oil supply passage allows the use of the oil supply passage as a drainage channel for the engine oil from the second pressure chamber to allow for a change in the length of the connecting rod a correspondingly fast movement of the adjusting piston in the cylinder bore, without a separate drain passage in the housing to provide the cylinder-piston unit.
  • the discharge valve from a constructive point of view is usefully arranged in the housing of the cylinder-piston unit, from where the engine oil can flow from the second pressure chamber into the crankcase.
  • the drain valve is fluidly arranged in the exhaust of the engine oil in front of a corresponding check valve.
  • the Olestgabestelle of the Olerysstange lead directly to the housing bore and sealed against the gap between Olerysstange and housing bore.
  • a further embodiment provides that a piston rod is provided, wherein the piston rod is arranged on a second end face of the adjusting piston, the piston rod extends through the second pressure chamber of the cylinder-piston unit and through a rod bore in the housing of the cylinder-piston unit through into the crankcase of the internal combustion engine.
  • the piston rod allows easy transmission of the movement of the Adjustment piston in the cylinder bore to the relative movement between the first Pleuelteil and the second Pleuelteil and at the same time also allows a meaningful seal between the rod bore and piston rod, for example by means of a rod seal, which may be optionally associated with a ⁇ labstreifer to entry of particles from the engine oil Crankcase in the cylinder-piston unit to prevent.
  • the piston rod and the oil guide rod can be arranged coaxially with each other, wherein the piston rod and the oil guide rod connected in the region of the adjusting, preferably can be integrally formed.
  • the coaxial arrangement of piston rod and oil guide rod improves the guidance of the adjusting piston in the cylinder bore of the cylinder-piston unit, thereby preventing jamming, tilting and wear of the adjusting piston. Accordingly, relatively small gaps between the adjusting piston and the cylinder bore can be realized.
  • the direct connection of piston rod and oil guide rod or a one-piece design facilitates the production of the cylinder-piston unit and the coaxial alignment of the adjusting.
  • a preferred embodiment of the length-adjustable connecting rod provides that a sealing device is provided between the outer wall of the adjusting piston and the inner wall of the cylinder bore. This sealing device prevents even at high system pressures engagement of the adjusting piston in the respective filled with engine oil first or second pressure chamber, thus enabling the function of a length-adjustable connecting rod according to the invention safely and permanently implement.
  • the sealing device between the outer wall of the adjusting and the inner wall of the cylinder bore prevents engagement of the adjusting piston in the respective pressure chamber, even with a large force on the adjusting, especially during compression and combustion process in the respective cylinder of the engine, whereby the variable compression ratio in the Cylinders is made possible and achieved efficiency improvement of the internal combustion engine is not reduced by an engagement of the adjusting piston in the respective pressure chamber again.
  • a sealing device can both gap seals that constructively have a certain leakage, but also touching piston seals are used, which virtually prevent leakage, but are structurally complex and functionally more prone.
  • the gap of the gap seal should be at most 20 ⁇ , in particular at most 10 ⁇ , preferably even lower.
  • an oil filter and / or an oil scraper should be provided which prevents the entry of large soot particles and chips from the engine oil into the pressure chambers and from there into the gap of the gap seal or between the sealing seals. prevent surfaces from piston seals. This can prevent the particles present in the engine oil from being introduced into the sealing device due to the high system pressures and the movement of the adjusting piston in the cylinder bore.
  • wear on the inner wall of the cylinder bore and the outer wall of the adjusting or on the sealing surfaces of one or more piston seals can be prevented or significantly reduced, to ultimately prevent damage and failure of the cylinder-piston unit.
  • the adjusting piston of the cylinder-piston unit may be formed as a double-acting adjusting piston, wherein the adjusting piston arranged longitudinally movably in the cylinder bore limits the first pressure chamber on the first end side and on a second end side of the second pressure chamber.
  • a two-way adjusting piston allows the fixing of the piston rod both in the direction of a larger compression ratio and in the direction of a lower compression ratio with a single cylinder-piston unit. So it is the same adjusting, unlike in DE 10 2005 055 199 A1, used for bidirectional adjustment of the piston stroke, or the compression ratio.
  • a stepped piston can be used, by means of which the larger end face is held in its extended position with a corresponding pressurization, the connecting rod. Due to the prevailing force conditions in an internal combustion engine, the smaller end face is usually sufficient for fixation in the opposite direction.
  • a useful embodiment provides that a hydraulic adjusting mechanism comprises a control valve, preferably a hydraulically actuated control valve, in order to control the outflow of the engine oil flowing out of the cylinder-piston unit from the first pressure chamber and the second pressure chamber.
  • a control valve in the hydraulic adjusting mechanism is particularly important in a bidirectional adjusting piston for a quick and safe operation of the length-adjustable connecting rod to control the flow of engine oil from the cylinder-piston unit.
  • a hydraulically actuated control valve is useful for a simple and permanently safe operation of the hydraulic adjusting mechanism. The control valve can also simultaneously control the drain valve.
  • the first connecting rod part can be connected to the adjusting piston of the cylinder-piston unit and the second connecting rod part can have the cylinder bore of the cylinder-piston unit.
  • the invention relates to the use of a cylinder-piston unit with oil guide rod for a length-adjustable connecting rod of an internal combustion engine with a first Pleuelteil and a second Pleuelteil adjustable by means of the cylinder-piston unit comprising the cylinder-piston unit a housing with a cylinder bore, a piston arranged longitudinally movably adjusting and at least a first pressure chamber and a second pressure chamber in the cylinder bore for receiving motor oil, which are bounded on one side by the longitudinally movable adjusting piston, wherein an oil guide rod is provided, the oil guide rod arranged on a first end face of the adjusting piston, extends through the first pressure chamber and is longitudinally movably guided in a housing bore in the housing, the oil
  • the invention relates to an internal combustion engine having at least one reciprocating piston and having at least one adjustable compression ratio in a cylinder and a length-adjustable connecting rod connected to the reciprocating piston according to the above-described embodiments.
  • all the reciprocating piston of an internal combustion engine are equipped with such a length-adjustable connecting rod, but this is not required.
  • the fuel economy of such an internal combustion engine can be considerable if the compression ratio is set in accordance with the respective operating state.
  • the cylinder-piston unit of the length-adjustable connecting rod can be connected to the engine oil of the internal combustion engine.
  • the pressures present in the engine oil circuit can be used to control a hydraulic adjusting mechanism.
  • soot particles and chips are present in the engine oil, which require insensitivity of the hydraulic adjusting mechanism and an associated sealing device. ever the lower the entry of dirt particles from the engine oil, the sooner a safe operation of the cylinder-piston unit can be ensured.
  • a further modification provides that the system pressure of the engine oil in the first or second pressure chamber of the cylinder-piston unit is between 1,000 bar and 3,000 bar, preferably between 2,000 bar and 2,500 bar.
  • the limitation of the system pressure allows the safe structural design of the inner diameter of the cylinder bore and the wall thickness of the cylinder, and thus allows a safe structural design of the length-adjustable connecting rod according to the invention.
  • a control drive can be provided with at least one timing chain, a tensioning and / or guide rail, and / or a chain tensioner, which connects the crankshaft to the at least one camshaft of the internal combustion engine.
  • the timing drive is important because it can have a significant influence on the dynamic load of the engine and thus also on the length-adjustable connecting rod. This is preferably designed so that no excessive dynamic forces are introduced via the control drive.
  • a timing drive can also be formed with a spur gear or a drive belt, for example a toothed belt, which is prestressed by means of a tensioning device with tensioning roller.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through an internal combustion engine
  • Fig. 2 is a schematic representation of the length-adjustable connecting rod of Fig. 1 in a partially sectioned view.
  • a combustion engine (gasoline engine) 1 is shown in a schematic representation.
  • the internal combustion engine 1 has three cylinders 2.1, 2.2 and 2.3, in each of which a reciprocating piston
  • the internal combustion engine 1 comprises a crankshaft 4, which is rotatably mounted by means of crankshaft bearings 5.1, 5.2, 5.3 and 5.4.
  • the crankshaft 4 is connected by means of the connecting rods 6.1, 6.2 and 6.3 respectively with the associated reciprocating piston 3.1, 3.2 and 3.3.
  • the crankshaft 4 has an eccentrically arranged crankshaft journals 7.1, 7.2 and 7.3.
  • the small connecting rod 9.1, 9.2 and 9.3 are each mounted on a piston pin 10.1, 10.2 and 10.3 and so pivotally connected to the associated reciprocating 3.1, 3.2 and 3.3.
  • the terms small connecting eye 9.1, 9.2 and 9.3 and large connecting rod eye 8.1, 8.2 and 8.3 der to take an absolute still relative size assignment, but they are only used to distinguish the components and assignment to the combustion engine shown in Fig. 1. Accordingly, the dimensions of the diameter of the small connecting rods 9.1, 9.2 and 9.3 may be smaller, equal to or greater than the dimensions of the diameter of the large connecting rods 8.1, 8.2 and 8.3.
  • the crankshaft 4 is provided with a crankshaft sprocket 1 1 and coupled by means of a timing chain 12 with a Nockenwellenkettenrad 13.
  • the camshaft sprocket 13 drives a camshaft 14 with its associated cams for actuating the intake and exhaust valves (not shown in detail) of each cylinder 2.1, 2.2 and 2.3.
  • the slack side of the timing chain 12 is tensioned by means of a pivotally mounted clamping rail 15 which is pressed by means of a chain tensioner 16 to this.
  • the Switzerlandtrum the timing chain 12 can slide along a guide rail. The essential operation of this control drive including the fuel injection and ignition by spark plug is not explained in detail and assumed to be known.
  • the eccentricity of the crankshaft journals 7.1, 7.2 and 7.3 are mainly the stroke H K , especially if, as in the present case, the crankshaft 4 is arranged exactly centric below the cylinders 2.1, 2.2 and 2.3.
  • the reciprocating piston 3.1 is shown in Fig. 1 in its lowermost position, while the reciprocating piston 3.2 is shown in its uppermost position. The difference results in the present case, the stroke H K.
  • the remaining height H c (see cylinder 2.2) gives the remaining compression height in the cylinder 2.2.
  • the stroke volume V h and from the remaining compression height H c is calculated, the compression volume V c .
  • the compression volume V c significantly depends on the design of the cylinder cover. From these volumes V h and V c results in the compression ratio ⁇ .
  • the compression ratio ⁇ is calculated from the sum of the stroke volume V h and the compression volume V c divided by the compression volume V c .
  • Today's values for gasoline engines are between 10 and 14 for ⁇ .
  • the compression ratio ⁇ can be adjusted according to the invention, the connecting rods 6.1, 6.2 and 6.3 designed adjustable in their length. As a result, can be driven in the partial load range with a higher compression ratio than in the full load range.
  • the Connecting rod 6.1 has a connecting rod head 17.1 with the said small connecting rod 9.1, a first connecting rod part 18.1, which is telescopically guided in a second connecting rod part 19.1, on.
  • the relative movement of the first connecting rod part 18.1 in the longitudinal direction to the second connecting rod part 19.1 takes place by means of a cylinder-piston unit 20.1 with an adjusting piston 21.1. and a cylinder bore 22.1 and a sealing device 23.1 between the adjusting piston 21.1 and the cylinder bore 22.1.
  • a lower bearing shell 19b.1 is arranged, which surrounds the large connecting rod eye 8.1 together with the lower region of the second connecting rod part 19.1.
  • the lower bearing shell 19b.1 and the second Pleuelteil 19.1 are connected to each other in the usual way by means of fastening means.
  • the piston rod 18a.1 at the lower end of the first connecting rod part 18.1 is connected to the adjusting piston 21.1, which is guided displaceably in the cylinder bore 22.1 of the second connecting rod part 19.1.
  • the second connecting rod part 19.1 has a cover 19a.1, through which the piston rod 18a.1 of the first connecting rod part 18.1 is guided and sealed.
  • the cover 19a.1 seals the cylinder bore 22.1 in total.
  • the adjusting piston 21.1 is designed as a stepped piston. Below the adjusting piston 21 .1 a first pressure chamber 24.1 is formed with a circular cross section and above the adjusting piston 21.1 is an annular second pressure chamber 25.1 is formed. To change the connecting rod length by means of the movement of the adjusting piston 21.1 in the cylinder bore 22.1, a hydraulic adjusting mechanism 26.1 is provided. To the adjusting mechanism 26.1 includes a hydraulic circuit described in detail below, which provides correspondingly for an inlet and outlet of the engine oil in and out of the pressure chambers 24.1 and 25.1 and thus for a fixation of the actuated by means of the connecting rod 6.1 forces adjusting piston 21.1 ,
  • Other geometric dimensions are conceivable. Accordingly, here the wall thickness D w of the housing in the region of the cylinder bore 22.1 results from the associated outer radius r a of the upper portion of the second connecting rod part 19.1 minus the inner radius ⁇ of the cylinder bore 22.1.
  • the wall thickness D w over the circumference of the second Pleuelteils 19.1 uniformly thick and the stresses in the material of the second Pleuelteils 19.1 uniformly low, so that due to a relatively large piston diameter for the adjusting 21.1 occurring in the connecting rod 6.1 maximum system pressure remains within manageable limits.
  • the adjusting piston 21.1 of the cylinder-piston unit 20.1 is designed as a double-acting piston. forms. Under a double-acting piston is generally understood a piston with differently oriented active surfaces. A first end face 27.1 is annular and assigned to the first pressure chamber 24.1. A second end face 28.1 is also annular in shape and associated with the second pressure chamber 25.1, wherein the first end face 27.1 and the second end face 28.1 may have the same or different surfaces.
  • the cylinder-piston unit 20.1 is operated with engine oil.
  • an oil supply channel 29.1 is connected to the large connecting rod eye 8.1 in connection, whereby engine oil can be supplied to the hydraulic adjusting mechanism 26.1 or, if appropriate, can also flow out of this in an alternative circuit.
  • a control valve 30.1 is provided on the oil supply channel 29.1, by means of which the outflow of the motor oil flowing out of the first pressure chamber 24.1 and the second pressure chamber 25.1 of the cylinder-piston unit 20.1 is controlled. From the control valve 30.1, the engine oil conveyed by means of the gas and mass forces of the internal combustion engine 1 acting on the connecting rod parts 18.1, 19.1 reaches the first pressure chamber 24.1 via a first oil channel 31.1.
  • a check valve 33.1 and optionally an oil filter is provided before the first oil passage 31 .1 opens into the first pressure chamber 24.1.
  • the diversion of an exhaust passage 35.1 is provided, which opens on the outside of the second connecting rod 19.1 in the crankcase of the engine 1.
  • the outlet channel 35.1 is configured with a drain valve 36.1, which is closed when the engine oil flows in via the first oil passage 31.1 into the first pressure chamber 24.1.
  • the second oil passage 32.1 for supplying the second pressure chamber 25.1 leads from the control valve 30.1 into a housing bore 37.1, which is arranged coaxially to the cylinder bore 22.1 and longitudinally displaceably accommodates an oil guide rod 40.1.
  • a housing bore 37.1 At the bottom of the housing bore 37.1 is in the extended state of the first connecting rod 18.1 a reservoir with engine oil.
  • an oil feed channel 41 .1 is provided, which extends from the housing bore 37.1 to the second pressure chamber 25.1.
  • the oil feed channel 41 .1 branches into a plurality of branch channels 42. 1 in order to allow the engine oil to flow uniformly into the second pressure chamber 25. 1.
  • a check valve 33.1 is provided, preferably a spring-loaded ball valve.
  • an outlet branch 43.1 is further formed, through which the engine oil passes via an oil transfer point 44.1 to an outlet valve 36.1 and an outlet channel 35.1 when the second pressure chamber is emptied.
  • the Olfordbeck 44.1 example, as a longitudinal bore in the housing of the cylinder-piston Unit 20.1, formed according to the second connecting rod part 19.1.
  • the engine oil when emptying the second pressure chamber 25.1 are passed over a sufficiently long displacement of the oil guide rod 40.1 via the outlet branch 43.1 to the outside into the crankcase.
  • the connecting rod 6.1 is thus in its longer position.
  • engine oil is conveyed into the housing bore 37.1 via the second oil passage 32.1 and passes from the housing bore 37.1 through the check valve 33.1 and the oil feed channel 41.1 in the oil guide rod 40.1 and the branch passages 42.1 from the oil feed passage 41 .1 in the adjusting piston 21.1 in the second pressure chamber 25.1.
  • the associated outlet valve 36.1 is closed behind the outlet branch 43.1.
  • the adjusting piston 21 .1 driven by the acting between the first Pleuelteil 18.1 and second Pleuelteil 19.1 gas and inertial forces in its lower position, wherein the engine oil flows into the second pressure chamber 25.1. In its lower position (not shown), the adjusting piston 21 .1 is then hydraulically locked, since both a return flow through the discharge valve 36.1 and the check valve 33.1 in the oil supply passage 41 .1 is prevented.
  • the control valve 30.1 of the hydraulic adjusting mechanism 26.1 of the length-adjustable connecting rod 6.1 actively controls the bleed valves 36.1 associated with the first oil channel 31 .1 and the second oil channel 32.1 in the branching outlet channels 35.1 to fix the position of the length-adjustable connecting rod 6.1, while the gas and mass-force-driven bene inlet of engine oil in the first oil passage 31.1 and the second oil passage 32.1 only passively via the control valve 30.1.
  • control of the control valve 30.1 preferably takes place with the pressure of the engine oil applied to the oil supply channel 29.1, whereby other, alternatively however also possible, electrical, electronic, magnetic or mechanical activations of the control valve 30.1 or the drain valves 36.1 can be avoided.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einem ersten Pleuelteil, einem zweiten Pleuelteil und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen. Die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung, ein in der Zylinderbohrung längsbewegbaren Verstellkolben sowie mindestens einen ersten und einen zweiten Druckraum zur Aufnahme von Motoröl. Eine Ölführungsstange ist an einer ersten Stirnseite des Verstellkolbens angeordnet, erstreckt sich durch den ersten Druckraum und ist in einer Gehäusebohrung im Gehäuse längsbewegbar geführt, um über einen Ölzuführkanal den zweiten Druckraum mit Motoröl zu versorgen. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.

Description

Längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit Ölführungsstange
Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einem ersten Pleuelteil, einem zweiten Pleuelteil und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, wobei die Zylinder-Kolben-Einheit ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben und mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum umfasst. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.
Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen Vh + Kompressionsvolumens Vc) / Kompressionsvolumen Vc). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.
In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsge- mischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck, auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. Entsprechend ist im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen.
Für die Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VCR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des C02-Ausstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und dem C02-Ausstoß.
Bereits die Druckschrift US 2,217,721 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, die gemeinsam einen Hochdruckraum ausbilden. Zur Befüllung und Entleerung des Hochdruckraums mit Motoröl und damit zur Längenänderung der Pleuelstange ist ein hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Steuerventil mit federvorgespanntem Verschlusselement vorgesehen, das durch den Druck des Motoröls in eine geöffnete Stellung verschiebbar ist.
Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor zeigt die EP 1 426 584 A1 , bei der ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Exzenter eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht. Dabei erfolgt eine Fixierung des Exzenters in der einen oder anderen Endstellung des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung. Aus der DE 10 2005 055 199 A1 geht ebenfalls die Funktionsweise eines längenvariablen Pleuels hervor, mit dem verschiedene Verdichtungsverhältnisse ermöglicht werden. Die Realisierung erfolgt auch hier über einen Exzenter im kleinen Pleuelauge, das in seiner Position durch zwei Hydraulikzylinder mit veränderbarem Widerstand fixiert wird.
Die WO 2013/092364 A1 beschreibt eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Stangenteilen, wobei ein Stangenteil einen Zylinder und das zweite Stangenteil ein längsverschiebbares Kolbenelement ausbildet. Zwischen dem Verstellkolben des ersten Stangenteils und dem Zylinder des zweiten Stangenteils ist ein Hochdruckraum ausgebildet, der über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit einem Ölkanal und einem öldruckabhängigen Ventil mit Motoröl versorgt wird. Eine ähnliche längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit teleskopartig verschiebbaren Stangenteilen ist in der WO 2015/055582 A2 gezeigt.
Gemäß der WO 2015/055582 A2 soll das Verdichtungsverhältnis im Verbrennungsmotor durch die Pleuellänge verstellt werden. Die Pleuellänge beeinflusst das Kompressionsvolumen im Verbrennungsraum, wobei das Hubvolumen durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben ist. Eine kurze Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen, z.B. Kolben, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Ventilsteuerung etc.. Bei den bekannten längenverstellbaren Pleuelstangen wird die Pleuellänge hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert. Dabei ist die gesamte Pleuelstange mehrteilig ausgeführt, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus erfolgt, der mittels eines doppelwirkenden Hydraulikzylin- ders verstellbar ist. Das kleine Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kolbenbolzens, ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil). Der zugehörige Verstellkolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem großen Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens, angeordnet ist. Der Verstellkolben trennt den Zylinder in zwei Druckräume, einen oberen und einen unteren Druckraum. Diese beiden Druckräume werden über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit Motoröl versorgt, wobei dessen Versorgung mit Motoröl über die Schmierung des Pleuellagers erfolgt. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zum Pleuel und dort über die Rückschlagventile des Verstellmechanismus in die Druckräume erforderlich.
Ist die Pleuelstange in der langen Position, befindet sich kein Motoröl in dem oberen Druckraum. Der untere Druckraum hingegen ist vollständig mit Motoröl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Position des Pleuels wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit einem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den ölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an, wobei in dem unteren Druckraum sehr hohe dynamische Drücke von deutlich über 1 .000 bar entstehen können. Die Pleuellänge ändert sich nicht. Das Pleuel ist durch den Systemdruck in dieser Richtung hydraulisch gesperrt.
In der kurzen Stellung des Pleuels drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum ist leer, der obere Druckraum ist mit Motoröl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in dem oberen Druckraum. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen.
Die Pleuellänge kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume entleert wird. Hierfür wird von dem Verstellmechanismus jeweils eines der beiden Rückschlagventile im Zulauf überbrückt oder ein zugeordneter Rücklaufkanal geöffnet. Durch diese Rücklaufkanäle kann Motoröl unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und der Versorgungseinrichtung in das Kurbelgehäuse abfließen. Das jeweilige Rückschlageventil verliert entsprechend seine Wirkung. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch ein Steuerventil geöffnet und geschlossen, wobei immer genau ein Rücklaufkanal offen, der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung der beiden Rücklaufkanäle wird hier hydraulisch durch den Versorgungsdruck angesteuert. Der Bauraum für eine solche Pleuelstange ist sowohl axial als auch radial begrenzt. In Kurbelwellenrichtung wird der Bauraum durch die Lagerbreite und den Abstand der Gegengewichte begrenzt. In axialer Richtung ist ohnehin nur der Bauraum zwischen dem kleinen Pleuelauge zur Lagerung des Kolbenbolzens und dem großen Lagerauge zur Lagerung des Kurbelwellenzapfens und ein eventueller Verstellhub der Pleuelstange vorhanden.
Die in einem Verbrennungsmotor von einer Pleuelstange zu übertragenden Kräfte sind beträchtlich, weshalb auch die Drücke in dem Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit erheblich sein können. Angesichts der hohen Innendrücke bei einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit und einem zugehörigen hydraulischen Verstellmechanismus ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe problematisch, aber auch die Konstruktion und Belastbarkeit der Komponenten sowie die Einbindung der Motorölversorgung im Hinblick auf den geringen Bauraum.
Bei der Einbindung der Motorölversorgung in die längenverstellbare Pleuelstange kommt aus konstruktiver Sicht der Befüllung eines oberen Druckraums eine besondere Bedeutung zu. Die hydraulische Anbindung des für die Motorölversorgung weiter abgelegenen Druckraums, üblicherweise des in Richtung des kleinen Lagerauges liegenden oberen Druckraums, erfolgt bei einer herkömmlichen Ausgestaltung einer längenverstellbaren Pleuelstange mittels eines gebohrten Ölkanals im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit. Dies führt nicht nur zu einer aufwändigen Konstruktion des Pleuelteils mit einer entsprechend vergrößerten Wandstärke, sondern auch zu örtlichen Spannungskonzentrationen durch die Kerbwirkung von Vertiefungen, Nuten, Bohrungen und Querbohrungen. Die Problematik der Kerbwirkung von hydraulischen Versorgungskanälen für das Motoröl wird durch den hohen Systemdruck in der Zylinder-Kolben- Einheit sowie die Partikelbelastung des Motoröls nochmals erhöht.
Obwohl in vielen Bereichen der Technik Kolbenhubmaschinen hinlänglich bekannt sind und im Bereich der Automobilindustrie Hubkolben-Motoren beständig optimiert, verbessert und weiterentwickelt werden, sind die hydraulischen Verstell- und Versorgungsmechanismen von Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen trotz umfangreicher Entwicklungs- und Forschungsarbeiten weiterhin unbefriedigend, insbesondere im Hinblick auf die notwendige Lebensdauer längenverstellbarer Pleuelstangen gegenüber der gesamten Laufzeit von Verbrennungsmotoren. In herkömmlichen Hubkolbenmaschinen unterliegt die hydraulische Versorgung einer Zylinder-Kolben-Einheit längenverstellbarer Pleuelstangen einer erhöhten Belastung durch den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum, die extreme Temperaturbelastung durch extrem hohe Drücke und wechselnde Kraftrichtungen sowie durch die Verschmutzung des Motoröls mit Rußpartikeln und Spänen. Dies führt nicht nur zu einem schnellen Verschleiß der Dichtungseinrichtung, sondern auch zu Beschädigungen und schlussendlich zu einem Ver- sagen der hydraulischen Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit und somit zu einem Leistungsverlust des Verbrennungsmotors.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit bereitzustellen, die eine sichere und problemlose Ölversorgung der Druckräume der Zylinder-Kolben-Einheit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der längsbewegbar angeordnete Verstellkolben weiter einen zweiten Druckraum zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und einseitig begrenzt, wobei eine Ölführungsstange vorgesehen ist, die Ölführungsstange ist an einer ersten Stirnseite des Verstellkolbens angeordnet, erstreckt sich durch den ersten Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit und ist einer Gehäusebohrung im Gehäuse der Zylinder-Kolben- Einheit längsbewegbar geführt, wobei die Ölführungsstange einen Ölzuführkanal aufweist, um den zweiten Druckraum mit Motoröl zu versorgen. Eine Versorgung des zweiten Druckraums der Zylinder-Kolben-Einheit über den Ölzuführkanal der Ölführungsstange ist ein sicherer Weg zur schnellen und problemarmen Versorgung des zweiten Druckraums mit Motoröl. Die Herstellung dieses Ölzuführkanals ist in einem rotationssymmetrischen Bauteil wie einer Ölführungsstange einfacher zu realisieren als bei einem exzentrisch im Gehäuse der Zylinder-Kolben- Einheit angeordneten Ölkanal. Darüber hinaus wird die Wandung des Gehäuses der Zylinder- Kolben-Einheit bzw. des zugehörigen Pleuelteils nicht durch das Vorsehen eines Ölkanals geschwächt, was entsprechend den begrenzten Bauraum für das Pleuelteil im Kurbelgehäuse nicht negativ beeinflusst. Darüber hinaus wird weder die Innenwandung der Zylinderbohrung noch die Außenwandung des Verstellkolbens durch einen Ölkanal beeinflusst und eine entsprechende Abdichtung des Spalts zwischen Zylinderbohrung und Verstellkolben nicht behindert. Der Ölzuführkanal in der Ölführungsstange erhält das zur Befüllung des zweiten Druckraums benötigte Motoröl aus der Gehäusebohrung, die direkt oder über eine Steuereinheit mit dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden ist. Zusätzlich verbessert die in der Gehäusebohrung längsbewegbar geführte Ölführungsstange die Führung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung, und verringert dadurch das Risiko eines Verkantens oder eines vorzeitigen Verschleißes aufgrund von Fehlstellungen des Verstellkolbens. Üblicherweise sind der Verstellkolben und die Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit rotationssymmetrisch ausgebildet, aber nicht auf eine solche geometrische Form beschränkt. Eine längenverstellbare Pleuelstange gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst auch ovale, mehreckige oder anderweitige Querschnittsformen des Verstellkolbens und der Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben- Einheit. Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass der Ölzuführkanal in der Olführungsstange von der Gehäusebohrung zum zweiten Druckraum führt. Eine solche konstruktiv einfache Lösung reduziert den Herstellungsaufwand und ermöglicht insbesondere im Hinblick auf die relativ geringen Abmessungen der längenverstellbaren Pleuelstange eine sichere Bearbeitung. Dabei kann der Ölzuführkanal direkt in den zweiten Druckraum münden oder sich im Verstellkolben bzw. einer zugeordneten Kolbenstange in ein oder mehrere Abzweigkanäle verzweigen.
Bevorzugt kann zur Versorgung des zweiten Druckraums mit Motoröl und zur festen Positionierung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung ein Rückschlagventil vorgesehen sein, wobei das Rückschlagventil im Ölzuführkanal angeordnet ist. Für eine möglichst einfache und rückwirkungsfreie Positionierung des Rückschlagventils kann dieses an dem in der Gehäusebohrung geführten Ende der Olführungsstange vorgesehen sein. Im Hinblick auf die geringen Abmessungen der längenverstellbaren Pleuelstange kann als Rückschlagventil insbesondere ein federbelastetes Kugelventil vorgesehen sein.
Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass der Ölzuführkanal mit einem Ablassventil in Fluid- verbindung steht, um einen Ablauf des Motoröls aus dem zweiten Druckraum zu ermöglichen. Das Vorsehen eines Ablassventils und die Fluidverbindung zum Ölzuführkanal ermöglicht die Nutzung des Ölzuführkanals als Ablaufkanal für das Motoröl aus dem zweiten Druckraum, um bei einer Änderung der Länge der Pleuelstange eine entsprechend schnelle Bewegung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung zu ermöglichen, ohne einen separaten Ablaufkanal im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit vorzusehen. Dabei ist das Ablassventil aus konstruktiver Sicht sinnvollerweise im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit angeordnet, von wo aus das Motoröl aus dem zweiten Druckraum in das Kurbelgehäuse abfließen kann. Das Ablassventil ist fluidmäßig in Abiaufrichtung des Motoröls vor einem entsprechenden Rückschlagventil angeordnet.
Für eine funktionssichere und schnelle Entleerung des zweiten Druckraums kann zwischen dem Ölzuführkanal und dem Ablassventil eine Olübergabestelle vorgesehen sein, wobei die Olübergabestelle von der Olführungsstange direkt zur Gehäusebohrung führen und gegenüber dem Spalt zwischen Olführungsstange und Gehäusebohrung abgedichtet sein kann.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Kolbenstange vorgesehen ist, wobei die Kolbenstange an einer zweiten Stirnseite des Verstellkolbens angeordnet ist, die Kolbenstange erstreckt sich durch den zweiten Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit und durch eine Stangenbohrung im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit hindurch in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors. Die Kolbenstange ermöglicht eine einfache Übertragung der Bewegung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung zu der relativen Bewegung zwischen dem ersten Pleuelteil und dem zweiten Pleuelteil und ermöglicht gleichzeitig auch eine sinnvolle Abdichtung zwischen Stangenbohrung und Kolbenstange, beispielsweise mittels einer Stangendichtung, der optional ein Ölabstreifer zugeordnet sein kann, um einen Eintrag von Partikeln aus dem Motoröl im Kurbelgehäuse in die Zylinder-Kolben-Einheit zu verhindern. Zweckmäßigerweise können die Kolbenstange und die Ölführungsstange koaxial zueinander angeordnet sein, wobei die Kolbenstange und die Ölführungsstange im Bereich des Verstellkolbens verbunden, bevorzugt einteilig ausgebildet sein können. Die koaxiale Anordnung von Kolbenstange und Ölführungsstange verbessert die Führung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben- Einheit, und verhindert damit ein Verklemmen, Verkanten und einen Verschleiß des Verstellkolbens. Entsprechend können auch relativ geringe Spaltmaße zwischen Verstellkolben und Zylinderbohrung realisiert werden. Die direkte Verbindung von Kolbenstange und Ölführungsstange bzw. eine einteilige Ausbildung erleichtert die Herstellung der Zylinder-Kolben-Einheit und die koaxiale Ausrichtung des Verstellkolbens.
Eine bevorzugte Ausführungsform der längenverstellbaren Pleuelstange sieht vor, dass zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung eine Dichtungseinrichtung vorgesehen ist. Diese Dichtungseinrichtung verhindert auch bei hohen Systemdrücken ein Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen mit Motoröl gefüllten ersten oder zweiten Druckraum und ermöglicht damit die Funktion einer erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange sicher und dauerhaft umzusetzen. Dabei verhindert die Dichtungseinrichtung zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung auch bei einer großen Krafteinwirkung auf den Verstellkolben, insbesondere beim Verdichtungs- und Verbrennungsvorgang im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors, ein Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen Druckraum, wodurch das variable Verdichtungsverhältnis in den Zylindern ermöglicht wird und die erreichte Wirkungsgradverbesserung des Verbrennungsmotors nicht durch ein Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen Druckraum wieder reduziert wird. Als Dichtungseinrichtung können sowohl Spaltdichtungen, die konstruktiv eine gewisse Leckage aufweisen, aber auch berührende Kolbendichtungen eingesetzt werden, die eine Leckage nahezu vermeiden, aber konstruktiv aufwändiger und funktional anfälliger sind. Im Hinblick auf die hohen Systemdrücke in den Druckräumen der Zylinder- Kolben-Einheit von bis zu 3.000 bar, sollte das Spaltmaß der Spaltdichtung höchstens 20 μηη, insbesondere höchstens 10 μηη, betragen, bevorzugt sogar geringer. Im Hinblick auf ein derart geringes Spaltmaß sollte zusätzlich zu der Dichtungseinrichtung ein Ölfilter und/oder ein Ölabstreifer vorgesehen sein, die den Eintrag von großen Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl in die Druckräume und von dort in den Spalt der Spaltdichtung bzw. zwischen die Dichtungs- flächen von Kolbendichtungen verhindern. Dadurch kann verhindert werden, dass die im Motor- öl vorhandenen Partikel durch die hohen Systemdrücke und die Bewegung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung in die Dichtungseinrichtung eingetragen werden. So kann ein Verschleiß an der Innenwandung der Zylinderbohrung und der Außenwandung des Verstellkolbens bzw. an den Dichtungsflächen von einer oder mehreren Kolbendichtungen verhindert oder deutlich reduziert werden, um letztlich eine Beschädigung und ein Ausfall der Zylinder-Kolben-Einheit zu verhindern.
Bevorzugt kann der Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit als zweiseitig wirkender Verstellkolben ausgebildet sein, wobei der in der Zylinderbohrung längsbewegbar angeordnete Verstellkolben an der ersten Stirnseite den ersten Druckraum und an einer zweiten Stirnseite des zweiten Druckraum begrenzt. Ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ermöglicht die Fixierung der Kolbenstange sowohl in Richtung eines größeren Verdichtungsverhältnisses als auch in Richtung eines geringeren Verdichtungsverhältnisses mit einer einzelnen Zylinder-Kolben- Einheit. Es wird also derselbe Verstellkolben, anders als bei der DE 10 2005 055 199 A1 , zur bidirektionalen Einstellung des Kolbenhubs, bzw. des Verdichtungsverhältnisses verwendet. Günstigerweise kann hier ein Stufenkolben eingesetzt werden, mittels dessen größerer Stirnseite bei einer entsprechenden Druckbeaufschlagung die Pleuelstange in ihrer ausgefahrenen Stellung gehalten wird. Aufgrund der vorherrschenden Kraftverhältnisse in einem Verbrennungsmotor reicht die kleinere Stirnfläche für die Fixierungin die entgegengesetzte Richtung üblicherweise aus.
Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass ein hydraulischer Verstellmechanismus ein Steuerventil, bevorzugt ein hydraulisch betätigtes Steuerventil umfasst, um das Abfließen des aus der Zylinder-Kolben-Einheit ausströmenden Motoröls aus dem ersten Druckraum und dem zweiten Druckraum zu steuern. Der Einsatz eines Steuerventils im hydraulischen Verstellmechanismus ist insbesondere bei einem zweiseitig wirkenden Verstellkolben für eine schnelle und sichere Betätigung der längenverstellbaren Pleuelstange wichtig, um das Abfließen des Motoröls aus der Zylinder-Kolben-Einheit zu steuern. Ein hydraulisch betätigtes Steuerventil ist dabei für eine einfache und dauerhaft sichere Funktion des hydraulischen Verstellmechanismus sinnvoll. Das Steuerventil kann dabei auch gleichzeitig das Ablassventil ansteuern.
Für einen einfachen Aufbau der längenverstellbaren Pleuelstange kann das erste Pleuelteil mit dem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden sein und das zweite Pleuelteil die Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweisen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit mit Ölführungsstange für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit verstellbar sind, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längsbewegbar angeordneten Verstellkolben sowie mindestens einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum in der Zylinderbohrung zur Aufnahme von Mo- toröl, die einseitig von dem längsbewegbaren Verstellkolben begrenzt sind, wobei eine Ölführungsstange vorgesehen ist, die Ölführungsstange ist an einer ersten Stirnseite des Verstellkolbens angeordnet, erstreckt sich durch den ersten Druckraum und ist in einer Gehäusebohrung im Gehäuse längsbewegbar geführt, die Ölführungsstange weist einen Ölzuführkanal auf, um den zweiten Druckraum mit Motoröl zu versorgen. Der Einsatz einer solchen Zylinder-Kolben- Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors ermöglicht trotz der sehr kleinen Abmessung der Zylinder-Kolben-Einheit und des extrem hohen Systemdrucks die Nutzung von Motoröl im hydraulischen Verstellmechanismus. Dabei erfolgt die Aktuierung der Zylinder-Kolben-Einheit mittels der an den Pleuelteilen angreifenden Gas- und Massenkräfte des Verbrennungsmotors, während die Position der Pleuelteile durch das in den jeweiligen Druckräumen vorhandene Motoröl arretiert wird. Weiter ermöglicht eine Ölführungsstange mit einem Ölzuführkanal die Verwendung von rotationssymmetrischen Bauteilen für die Zylinder- Kolben-Einheit und die gesamte längenverstellbare Pleuelstange mit entsprechenden Vorteilen im Hinblick auf den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum sowie die Material- und Produktionskosten.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Hubkolben und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder und einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet, erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Verbrennungsmotors kann beträchtlich sein, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Zweckmäßigerweise kann die Zylinder-Kolben-Einheit der längenverstellbaren Pleuelstange an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors angeschlossen sein. Dadurch können die im Motorölkreislauf vorhandenen Drücke zur Steuerung eines hydraulischen Verstellmechanismus zur Anwendung kommen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Motoröl Rußpartikel und Späne vorhanden sind, die eine Unempfindlichkeit des hydraulischen Verstellmechanismus und einer zugehörigen Dichtungseinrichtung erfordern. Je geringer der Eintrag von Schmutzpartikeln aus dem Motoröl ist, desto eher kann ein sicherer Betrieb der Zylinder-Kolben-Einheit gewährleistet werden.
Eine weitere Modifikation sieht vor, das der Systemdruck des Motoröls im ersten oder zweiten Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit zwischen 1.000 bar und 3.000 bar, bevorzugt zwischen 2.000 bar und 2.500 bar, beträgt. Die Begrenzung des Systemdrucks ermöglicht die sichere konstruktive Auslegung des Innendurchmessers der Zylinderbohrung und der Wandstärke des Zylinders, und ermöglicht damit eine sichere konstruktive Auslegung der erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange.
Gemäß einer Weiterbildung können ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette, einer Spann- und/oder Führungsschiene, und/oder einem Kettenspanner vorgesehen sein, der die Kurbelwelle mit der mindestens einen Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbindet. Der Steuertrieb ist insofern wichtig, weil dieser maßgeblichen Einfluss auf die dynamische Belastung des Verbrennungsmotors und somit auch auf die längenverstellbare Pleuelstange haben kann. Bevorzugt wird dieser so ausgestaltet, dass keine zu hohen dynamischen Kräfte über den Steuertrieb eingeleitet werden. Alternativ kann ein solcher Steuertrieb auch mit einer Stirnradverzahnung oder einem Antriebsriemen, beispielsweise einem Zahnriemen ausgebildet sein, der mittels einer Spannvorrichtung mit Spannrolle vorgespannt ist.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1 in teilweiser geschnittener Darstellung.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1 , 2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben
3.1 , 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1 , 5.2, 5.3 und 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1 , 6,2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1 , 3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1 , 6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1 , 7.2 und 7.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1 ,
8.2, und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1 , 7.2 und 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1 , 9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1 , 10.2 und 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1 , 3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden. Dabei ist den Begriffen kleines Pleuelauge 9.1 , 9.2 und 9.3 und großes Pleuelauge 8.1 , 8.2 und 8.3 we- der eine absolute noch relative Größenzuordnung zu entnehmen, sondern sie dienen lediglich zur Unterscheidung der Bauteile und Zuordnung zu dem in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotor. Entsprechend können die Abmessungen der Durchmesser der kleinen Pleuelaugen 9.1 , 9.2 und 9.3 kleiner, gleich groß oder größer als die Abmessungen der Durchmesser der großen Pleuelaugen 8.1 , 8.2 und 8.3 sein.
Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 1 1 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1 , 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt. Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1 , 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg HK vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1 , 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in Fig. 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg HK. Die verbleibende Höhe Hc (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1 , 3.2 oder 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1 , 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg HK das Hubvolumen Vh und aus der verbleibenden Kompressionshöhe Hc errechnet sich das Kompressionsvolumen Vc. Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen Vc maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen Vh und Vc ergibt sich das Verdichtungsverhältnis ε. Im Detail errechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε aus der Summe des Hubvolumens Vh und des Kompressionsvolumens Vc dividiert durch das Kompressionsvolumen Vc. Heute übliche Werte für Ottomotoren liegen für ε zwischen 10 und 14.
Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (Drehzahl n, Temperatur T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind erfindungsgemäß die Pleuelstangen 6.1 , 6.2 und 6.3 in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.
In Fig. 2 ist beispielhaft die längenverstellbare Pleuelstange 6.1 dargestellt, die identisch zu den Pleuelstangen 6.2 und 6.3 ausgestaltet ist. Die Beschreibung gilt daher entsprechend. Die Pleuelstange 6.1 weist einen Pleuelstangenkopf 17.1 mit dem besagten kleinen Pleuelauge 9.1 , einem ersten Pleuelteil 18.1 , das teleskopierbar in einem zweiten Pleuelteil 19.1 geführt ist, auf. Die relative Bewegung des ersten Pleuelteils 18.1 in Längsrichtung zum zweiten Pleuelteil 19.1 erfolgt mittels einer Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 mit einem Verstellkolben 21.1 . und einer Zylinderbohrung 22.1 sowie einer Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen dem Verstellkolben 21.1 und der Zylinderbohrung 22.1. Am zweiten Pleuelteil 19.1 ist eine untere Lagerschale 19b.1 angeordnet, die zusammen mit dem unteren Bereich des zweiten Pleuelteils 19.1 das große Pleuelauge 8.1 umgibt. Die untere Lagerschale 19b.1 und das zweite Pleuelteil 19.1 werden in üblicher Weise mittels Befestigungsmitteln miteinander verbunden. Die Kolbenstange 18a.1 am unteren Ende des ersten Pleuelteils 18.1 ist mit dem Verstellkolben 21.1 verbunden, der in der Zylinderbohrung 22.1 des zweiten Pleuelteils 19.1 verschiebbar geführt ist. Am oberen Ende weist das zweite Pleuelteil 19.1 einen Deckel 19a.1 auf, durch den die Kolbenstange 18a.1 des ersten Pleuelteils 18.1 hindurch geführt und abgedichtet ist. Somit dichtet der Deckel 19a.1 insgesamt die Zylinderbohrung 22.1 ab. Der Verstellkolben 21.1 ist als Stufenkolben ausgestaltet. Unterhalb des Verstellkolbens 21 .1 ist ein erster Druckraum 24.1 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und oberhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein kreisringförmiger zweiter Druckraum 25.1 ausgebildet. Zur Veränderung der Pleuelstangenlänge mittels der Bewegung des Verstellkolbens 21.1 in der Zylinderbohrung 22.1 ist ein hydraulischer Verstellmechanismus 26.1 vorgesehen. Zu dem Verstellmechanismus 26.1 gehört eine unten näher beschriebene hydraulische Schaltung, die entsprechend für einen Zu- bzw. Ablauf des Motoröls in bzw. aus den Druckräumen 24.1 und 25.1 und somit für eine Fixierung des mittels der an der Pleuelstange 6.1 wirkenden Kräfte aktuierten Verstellkolbens 21.1 sorgt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt des zweiten Pleuelteils 19.1 im Bereich der Druckräume 24.1 und 25.1 sowie des Verstellkolbens 21.1 im Querschnitt kreisringförmig (mit Ausnahme eventuell vorhandener Hydraulikleitungen) ausgestaltet. Andere geometrische Abmessungen sind denkbar. Entsprechend ergibt sich hier die Wandstärke Dw des Gehäuses im Bereich der Zylinderbohrung 22.1 aus dem zugehörigen Außenradius ra des oberen Abschnitts des zweiten Pleuelteils 19.1 abzüglich des Innenradius η der Zylinderbohrung 22.1. Bei einer solchen symmetrischen Ausgestaltung ist die Wandstärke Dw über den Umfang des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig dick und die Spannungen im Werkstoff des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig gering, so dass aufgrund eines relativ großen Kolbendurchmessers für den Verstellkolben 21.1 der in der Pleuelstange 6.1 auftretende maximale Systemdruck in beherrschbaren Grenzen bleibt.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 2 die Funktion der Pleuelstange 6.1 näher erläutert. Der Verstellkolben 21.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 ist als zweiseitig wirkender Kolben ausge- bildet. Unter einem zweiseitig wirkenden Kolben wird im Allgemeinen ein Kolben mit verschieden orientierten Wirkflächen verstanden. Eine erste Stirnseite 27.1 ist kreisringförmig ausgestaltet und dem ersten Druckraum 24.1 zugeordnet. Eine zweite Stirnseite 28.1 ist ebenfalls kreisringförmig ausgestaltet und dem zweiten Druckraum 25.1 zugeordnet, wobei die erste Stirnseite 27.1 und die zweite Stirnseite 28.1 gleiche oder unterschiedliche Flächen aufweisen können. Die Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 wird mit Motoröl betrieben. Hierzu steht ein Ölversorgungskanal 29.1 mit dem großen Pleuelauge 8.1 in Verbindung, wodurch Motoröl dem hydraulischen Verstellmechanismus 26.1 zugeführt werden kann oder in einer alternativen Schaltung gegebenenfalls auch aus diesem abfließen kann. An den Ölversorgungskanal 29.1 anschließend ist ein Steuerventil 30.1 vorgesehen, mittels dem das Abfließen des aus dem ersten Druckraum 24.1 und dem zweiten Druckraum 25.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 ausströmenden Motoröls gesteuert wird. Von dem Steuerventil 30.1 aus gelangt das mittels der an den Pleuelteilen 18.1 , 19.1 angreifenden Gas- und Massenkräfte des Verbrennungsmotors 1 geförderte Motoröl über einen ersten Ölkanal 31.1 in den ersten Druckraum 24.1. In Strömungsrichtung des einströmenden Motoröls ist im ersten Ölkanal 31 .1 ein Rückschlagventil 33.1 und optional ein Ölfilter vorgesehen, bevor der erste Ölkanal 31 .1 in den ersten Druckraum 24.1 mündet. Zwischen dem Rückschlagventil 33.1 und der Einmündung des ersten Ölkanals 31.1 in den ersten Druckraum 24.1 ist die Abzweigung eines Auslasskanals 35.1 vorgesehen, der an der Außenseite des zweiten Pleuelteils 19.1 in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 mündet. Der Auslasskanal 35.1 ist mit einem Ablassventil 36.1 ausgestaltet, das beim Einströmen des Motoröls über den ersten Ölkanal 31.1 in den ersten Druckraum 24.1 geschlossen ist.
Der zweite Ölkanal 32.1 zur Versorgung des zweiten Druckraums 25.1 führt vom Steuerventil 30.1 aus in eine Gehäusebohrung 37.1 , die koaxial zur Zylinderbohrung 22.1 angeordnet ist und längsbeweglich verschiebbar eine Ölführungsstange 40.1 aufnimmt. Am Boden der Gehäusebohrung 37.1 befindet sich im ausgefahrenen Zustand des ersten Pleuelteils 18.1 ein Reservoir mit Motoröl. In der Ölführungsstange 40.1 ist ein Ölzuführkanal 41 .1 vorgesehen, der sich von der Gehäusebohrung 37.1 bis in den zweiten Druckraum 25.1 erstreckt. Im Bereich des Verstellkolbens 21 .1 verzweigt sich der Ölzuführkanal 41 .1 in mehrere Abzweigkanäle 42.1 , um das Motoröl gleichmäßig in den zweiten Druckraum 25.1 einströmen zu lassen. An dem in der Gehäusebohrung 37.1 geführten Ende der Ölführungsstange 40.1 ist ein Rückschlagventil 33.1 vorgesehen, bevorzugt ein federbelastetes Kugelventil. Im Bereich des Rückschlagventils 33.1 am unteren Ende der Ölführungsstange 40.1 ist weiter eine Auslassabzweigung 43.1 ausgebildet, durch die beim Entleeren des zweiten Druckraums das Motoröl über eine Olübergabestelle 44.1 zu einem Auslassventil 36.1 und einem Auslasskanal 35.1 gelangt. Die Olübergabestelle 44.1 ist beispielsweise als Längsbohrung im Gehäuse der Zylinder-Kolben- Einheit 20.1 , entsprechend dem zweiten Pleuelteil 19.1 ausgebildet. Über diese nutartige Längsbohrung in der Gehäusebohrung 37.1 kann das Motoröl beim Entleeren des zweiten Druckraums 25.1 über einen ausreichend langen Verschiebeweg der Ölführungsstange 40.1 über die Auslassabzweigung 43.1 nach außen in das Kurbelgehäuse geleitet werden.
Wenn das Steuerventil 30.1 des hydraulischen Verstellmechanismus 26.1 angetrieben durch die an den Pleuelteilen 18.1 , 19.1 angreifenden Gas- und Massenkräfte den ersten Ölkanal 31.1 öffnet, strömt das aus dem großen Pleuelauge 8.1 über den Ölversorgungskanal 29.1 zugeführte Motoröl über das Rückschlagventil 33.1 in den ersten Druckraum 24.1. Der Verstellkolben 21 .1 fährt angetrieben durch die zwischen dem ersten Pleuelteil 18.1 und zweiten Pleuelteil 19.1 wirkenden Gas- und Massenkräfte in seine obere Stellung, fördert Motoröl in den ersten Druckraum 24.1 und ist dann in der in Fig. 2 gezeigten finalen ausgefahrenen oberen Stellung hydraulisch gesperrt, da sowohl eine Rückströmung über den ersten Ölkanal 34.1 , durch das Rückschlagventil 33.1 , als auch eine Ausströmung über den Auslasskanal 35.1 , durch das gesperrte Ablassventil 36.1 , verhindert ist. Die Pleuelstange 6.1 befindet sich somit in ihrer längeren Stellung. Bei einem Umschalten des Steuerventils 30.1 zur Öffnung des Ablassventils 36.1 im ersten Ölkanal 31.1 wird gleichzeitig auch der zweite Ölkanal 32.1 zur gas- und massenkräftegetriebenen Befüllung des zweiten Druckraums 25.1 mit Motoröl geöffnet, wobei gleichzeitig das im ersten Druckraum 24.1 befindliche Motoröl über den Auslasskanal 35.1 in das Kurbelgehäuse abströmen kann.
Gleichzeitig mit dem Abströmen des Motoröls aus dem ersten Druckraum 24.1 wird über den zweiten Ölkanal 32.1 Motoröl in die Gehäusebohrung 37.1 gefördert und gelangt von der Gehäusebohrung 37.1 durch das Rückschlagventil 33.1 und den Ölzuführkanal 41.1 in der Ölführungsstange 40.1 sowie die Abzweigkanäle 42.1 vom Ölzuführkanal 41 .1 im Verstellkolben 21.1 in den zweiten Druckraum 25.1. Während des Einströmens des Motoröls in den zweiten Druckraum 25.1 ist das zugeordnete Auslassventil 36.1 hinter der Auslassabzweigung 43.1 geschlossen. Der Verstellkolben 21 .1 fährt angetrieben durch die zwischen dem ersten Pleuelteil 18.1 und zweiten Pleuelteil 19.1 wirkenden Gas- und Massenkräfte in seine untere Stellung, wobei das Motoröl in den zweiten Druckraum 25.1 einströmt. In seiner unteren Stellung (nicht gezeigt) ist der Verstellkolben 21 .1 dann hydraulisch gesperrt, da sowohl eine Rückströmung durch das Ablassventil 36.1 als auch das Rückschlagventil 33.1 im Ölzuführkanal 41 .1 verhindert ist.
Beim gas- und massenkräftegesteuerten Einströmen des Motoröls aus dem Steuerventils 30.1 über den ersten Ölkanal 31.1 in den ersten Druckraum 24.1 oder über den zweiten Ölkanal 32.1 in den zweiten Druckraum 25.1 kann das gesamte einströmende Motoröl optional über Ölfilter geleitet werden, in denen größere Rußpartikel und Späne aus dem Motoröl ausgefiltert und festgehalten werden. Dadurch ist das in die Druckräume 24.1 und 25.1 der Zylinderbohrung 22.1 einströmende Motoröl nur gering mit Verschmutzungen belastet, so dass die Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 und der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 entsprechend geringfügig einem Verschleiß ausgesetzt ist. Dadurch lässt sich sowohl das Risiko stärkerer Beschädigungen an der Oberfläche der Dichtungseinrichtung 23.1 verhindern, als auch die notwendige Lebensdauer der längenverstellbaren Pleuelstangen 6.1 verbessern.
Das Steuerventil 30.1 des hydraulischen Verstellmechanismus 26.1 der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 steuert aktiv die dem ersten Ölkanal 31 .1 und dem zweiten Ölkanal 32.1 zugeordneten Ablassventile 36.1 in den abzweigenden Auslasskanälen 35.1 , um die Position der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 festzulegen, während der gas- und massenkräftegetrie- bene Zulauf von Motoröl in den ersten Ölkanal 31.1 und den zweiten Ölkanal 32.1 lediglich passiv über das Steuerventil 30.1 erfolgt. Beim Öffnen des ersten Ölkanals 31 .1 bzw. des zweiten Ölkanals 32.1 und der Einströmung von Motoröl in den ersten Druckraum 24.1 bzw. dem zweiten Druckraum 25.1 muss gleichzeitig auch das Ablassventil 36.1 im anderen Zweig des hydraulischen Verstellmechanismus 26.1 , d.h. dem zweiten Ölkanal 32.1 bzw. dem ersten Ölkanal 31.1 , geöffnet werden, um ein gesteuertes Ausströmen des Motoröls aus dem jeweils anderen Druckraum, d.h. dem zweiten Druckraum 25.1 bzw. dem ersten Druckraum 24.1 , und das Einfahren des Verstellkolbens 21.1 in den zweiten Druckraum 25.1 , bzw. den ersten Druckraum 24.1 , zu ermöglichen. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung des Steuerventils 30.1 mit dem am Ölversorgungskanal 29.1 anliegenden Druck des Motoröls, wodurch sich andere, alternativ jedoch auch mögliche, elektrische, elektronische, magnetische oder mechanische Ansteuerungen des Steuerventils 30.1 bzw. der Ablassventile 36.1 vermeiden lassen.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungsmotor
2.1 ,2.2,2.3 Zylinder
3.1 ,3.2,3.3 Hubkolben
4 Kurbelwelle
5.1 ,5.2,5.3,5.4 Kurbelwellenlager
6.1 ,6.2,6.3 Pleuelstange
7.1 ,7.2,7.3 Kurbelwellenzapfen
8.1 ,8.2,8.3 großes Pleuelauge
9.1 ,9.2,9.3 kleine Pleuelauge
10.1 ,10.2,10.3 Kolbenbolzen
1 1 Kurbelwellenketterad
12 Steuerkette
13 Nockenwellenkettenrad
14 Nockenwelle
15 Spannschiene
16 Kettenspanner
17.1 Pleuelstangenkopf
18.1 erstes Pleuelteil
18a.1 Kolbenstange
19.1 zweites Pleuelteil
19a.1 Deckel
19b.1 Lagerschale
20.1 Zylinder-Kolben-Einheit
21.1 Verstellkolben
22.1 Zylinderbohrung
23.1 Dichtungseinrichtung
24.1 erster Druckraum
25.1 zweiter Druckraum
26.1 hydraulischer Verstellmechanismus
27.1 erste Stirnseite 28.1 zweite Stirnseite
29.1 Ölversorgungskanal
30.1 Steuerventil
31.1 erster Ölkanal
32.1 zweiter Ölkanal
33.1 Rückschlagventil
34.1 Ölfilter
35.1 Auslasskanal
36.1 Ablassventil
37.1 Gehäusebohrung
38.1 Innenwandung
39.1 Außenwandung
40.1 Olzuführungsstange
41.1 Ölzuführkanal
42.1 Abzweigkanal
43.1 Auslassabzweigung
44.1 Ölübergabestelle
Dw Wandstärke
Vh Hubvolumen
Vc Kompressionsvolumen
Hc Kompressionshöhe
H« Hubweg
r, Innendurchmesser ra Außendurchmesser
S Spaltmaß
ε Verdichtungsverhältnis n Drehzahl
T Temperatur

Claims

Ansprüche
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) für einen Verbrennungsmotor (1 ), insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil (18.1 ) und einem zweiten Pleuelteil (19.1 ), das erste Pleuelteil (18.1 ) ist zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1 ) und das zweite Pleuelteil (19.1 ) ist zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1 ) ausgebildet, wobei das erste Pleuelteil (18.1 ) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1 ) bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen (10.1 ) und dem Kurbelwellenzapfen (7.1 ) zu verstellen, und mit mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ), um das erste Pleuelteil (18.1 ) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1 ) zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) umfasst ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung (22.1 ), einen in der Zylinderbohrung (22.1 ) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1 ), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1 ) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1 ) zur Aufnahme von Motoröl des Verbrennungsmotors (1 ), der erste Druckraum (24.1 ) ist einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1 ) begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass der in der Zylinderbohrung (22.1 ) längs bewegbar angeordnete Verstellkolben (21.1 ) weiter einen zweiten Druckraum (25.1 ) zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und einseitig begrenzt, wobei eine Ölführungsstange (40.1 ) vorgesehen ist, die Ölführungsstange (40.1 ) ist an einer ersten Stirnseite (27.1 ) des Verstellkolbens (21.1 ) angeordnet, erstreckt sich durch den ersten Druckraum (24.1 ) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) und ist in einer Gehäusebohrung (37.1 ) im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) längs bewegbar geführt, wobei die Ölführungsstange (40.1 ) einen Ölzuführkanal (41.1 ) aufweist, um den zweiten Druckraum (25.1 ) mit Motoröl zu versorgen.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ölzuführkanal (41.1 ) in der Ölführungsstange (40.1 ) von der Gehäusebohrung (37.1 ) zum zweiten Druckraum (25.1 ) führt.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (33.1 ) vorgesehen ist, wobei das Rückschlagventil (33.1 ) im Ölzuführkanal (41.1 ) angeordnet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ölzuführkanal (41.1 ) mit einem Ablassventil (36.1 ) in
Fluidverbindung steht, um einen Ablauf des Motoröls aus dem zweiten Druckraum (25.1 ) zu ermöglichen.
5. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ölzuführkanal (41.1) und dem Ablassventil (36.1) eine Ölübergabestelle (44.1) vorgesehen ist, wobei die Ölübergabestelle (44.1) von der Olführungsstange (40.1) zur Gehäusebohrung (37.1) führt und gegenüber dem Spalt zwischen Olführungsstange (40.1) und Gehäusebohrung (37.1) abgedichtet ist.
6. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (18a.1) vorgesehen ist, wobei die Kolbenstange (18a.1) an einer zweiten Stirnseite (27.1) des Verstellkolbens (21.1) angeordnet ist, die Kolbenstange (18a.1) erstreckt sich durch den zweiten Druckraum (24.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) und durch eine Stangenbohrung (36.1) im Gehäuse der Zylinder- Kolben-Einheit (20.1) hindurch in das Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors (1).
7. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (18a.1) und die Olführungsstange (40.1) coaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Kolbenstange (18a.1) und die Olführungsstange (40.1) im Bereich des Verstellkolbens (21.1) verbunden sind, bevorzugt einteilig ausgebildet sind.
8. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) eine Dichtungseinrichtung (23.1) vorgesehen ist.
9. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) als zweiseitig wirkender Verstellkolben (21.1) ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordnete Verstellkolben (21.1) an der ersten Stirnseite (27.1) den ersten Druckraum (24.1) und an einer zweiten Stirnseite (28.1) den zweiten Druckraum (25.1) begrenzt.
10. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pleuelteil (18.1) mit dem Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) verbunden ist und das zweite Pleuelteil (19.1) die Zylinderbohrung (22.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) aufweist.
11. Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mit einer Olführungsstange (40.1) für eine längenverstellbare Pleuelstange (6.1) eines Verbrennungsmotors (1) mit einem ersten Pleuelteil (18.1 ) und einem zweiten Pleuelteil (19.1 ), die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) verstellbar sind, um das erste Pleuelteil (18.1 ) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1 ) zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) umfasst ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung (22.1 ), einen in der Zylinderbohrung (22.1 ) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1 ), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1 ) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1 ) zur Aufnahme von Motoröl, der erste Druckraum (24.1 ) ist einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1 ) begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass der in der Zylinderbohrung (22.1 ) längs bewegbar angeordnete Verstellkolben (21.1 ) weiter einen zweiten Druckraum (25.1 ) zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und einseitig begrenzt, wobei eine Olführungsstange (40.1 ) vorgesehen ist, die Olführungsstange (40.1 ) ist an einer ersten Stirnseite (27.1 ) des Verstellkolbens (21.1 ) angeordnet, erstreckt sich durch den ersten Druckraum (24.1 ) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) und ist in einer Gehäusebohrung (37.1 ) im Gehäuse der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) längs bewegbar geführt, wobei die Olführungsstange (40.1 ) einen Ölzuführkanal (41.1 ) aufweist, um den zweiten Druckraum (25.1 ) mit Motoröl zu versorgen.
12. Verbrennungsmotor (1 ) mit mindestens einem Hubkolben (3.1 ,3.2,3.3) und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder (2.1 ,2.2,2.3) und einer mit dem Hubkolben (3.1 ,3.2,3.3) verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1 ) (6.1 ,6.2,6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
13. Verbrennungsmotor (1 ) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1 ,6.2,6.3) an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors (1 ) angeschlossen ist.
14. Verbrennungsmotor (1 ) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck des Motoröls im ersten Druckraum (24.1 ) oder im zweiten Druckraum (25.1 ) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) zwischen 1.000 bar und 3.000 bar, bevorzugt zwischen 2.000 bar und 2.500 bar, beträgt.
15. Verbrennungsmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette (12), einer Spann- und/oder Führungsschiene (15), und/oder einem Kettenspanner (16) vorgesehen ist, der die Kurbelwelle (4) mit der mindestens einen Nockenwelle (14) des Verbrennungsmotors (1 ) verbindet.
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