WO2018083256A1 - Längenverstellbare pleuelstange mit einer zylinder-kolben-einheit mit mehreren kolbendichtungen - Google Patents

Längenverstellbare pleuelstange mit einer zylinder-kolben-einheit mit mehreren kolbendichtungen Download PDF

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WO2018083256A1 PCT/EP2017/078214 EP2017078214W WO2018083256A1 WO 2018083256 A1 WO2018083256 A1 WO 2018083256A1 EP 2017078214 W EP2017078214 W EP 2017078214W WO 2018083256 A1 WO2018083256 A1 WO 2018083256A1
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cylinder
length
adjusting
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Zoltán Riba
Kai Arens
Martin Bodensteiner
Steffen Latz
Malte Heller
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AVL List GmbH
Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
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    • F02B75/045—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable connecting rod length
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    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
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    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/04—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads with elastic intermediate part of fluid cushion

Definitions

  • the present invention relates to a length-adjustable connecting rod for an internal combustion engine, comprising a first connecting rod part, a second connecting rod part and at least one cylinder-piston unit for adjusting the first connecting rod part relative to the second connecting rod part, the cylinder-piston unit comprises a cylinder bore in the cylinder bore longitudinally movably arranged adjusting piston, at least one provided in the cylinder bore pressure chamber and arranged between an outer wall of the adjusting piston and an inner wall of the cylinder bore sealing means. 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 the same geometric dimensions, eg piston, cylinder head, crankshaft, valve control, etc ..
  • the connecting rod length is hydraulically varied between two positions.
  • the entire connecting rod is made in several parts, wherein the change in length is effected by a telescopic mechanism which is adjustable by means of a double-acting hydraulic cylinder.
  • 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 via a hydraulic adjusting mechanism with engine oil, wherein its supply of engine oil via the lubrication of the connecting rod bearing takes place. For this purpose, 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.
  • 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. Of the Actuator for switching the two return channels is controlled here hydraulically by the supply pressure.
  • a length-adjustable connecting rod with a cylinder-piston unit for use in an internal combustion engine is that the hydraulic adjusting mechanism is usually fed by the engine oil of the engine, the viscosity of which decreases not only with the operating temperature but also with increasing operating time and in the harmful particles are registered in the adjustment mechanism of the connecting rod.
  • soot particles which can be produced during combustion in the engine
  • casting oil particles or chips from the manufacture and processing of the engine are also transported via the engine oil. Regardless of a decrease in viscosity of the engine oil and the particles transported by the engine oil into the adjusting mechanism, the adjusting mechanism of a length-adjustable connecting rod must remain permanently functional.
  • Connecting rods with a cylinder-piston unit are used as sealing devices usually simple gap seals.
  • gap seals In contrast to contact seals, which prevent leaks as contacting sealing devices, gap seals have a certain leakage due to the design.
  • the advantages of gap seals are the ease of installation, due to the smaller number of components and a smaller space of the cylinder-piston unit.
  • the system-inherent leakage in gap seals causes not only a loss of power but also a heating of the system.
  • Contact seals, such as piston or rod seals which can be arranged between the longitudinally displaceable components of a cylinder-piston unit, can prevent a leakage of engine oil from the pressure chamber almost completely and avoid a corresponding loss of power.
  • contact seals are very sensitive to soot particles and chips in the engine oil, which can lead to severe damage to the surfaces of the sealing device and ultimately to a malfunction or failure of the sealing device.
  • This hazard increases with higher system pressures, as the particles from the engine oil are increasingly conveyed between the piston skirt and the cylinder wall and dig there at the sealing surfaces.
  • the high system pressure in the cylinder-piston unit causes soot particles and chips from the engine oil to penetrate between the cylinder wall and the piston skirt and jam between the sealing surfaces, which can lead to severe damage to the surfaces and ultimately to wear and failure of the cylinder-piston unit.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a length-adjustable connecting rod with a cylinder-piston unit with an improved sealing device, which allows despite improved pressure differences and small space, an improved durable sealing effect.
  • the sealing device comprises at least two piston seals, each piston seal is arranged in a separate circumferential groove on the outer wall of the adjusting and is in sliding contact with the inner wall of the cylinder bore.
  • the provision of at least two piston seals reduces the pressure drop which, due to the extremely high system pressures, must be dissipated via each of the separate piston seals and accordingly reduces the risk of particulate from the engine oil and subsequently damaging the seal surface by these particles.
  • the gradual reduction of the high system pressures in the cylinder-piston unit allows the use of simpler and less expensive piston seals with a flatter construction, which can be used in the small available space of a cylinder-piston unit without constructive compensation measures.
  • the piston seals are each arranged in a separate circumferential groove on the outer wall of the adjusting, which not only ensures a seal of the piston seal against the adjusting, but also despite the high system pressures and the relative movement relative to the inner wall of the cylinder bore with little effort enables safe positioning of the piston seal.
  • the sealing device 3 preferably comprise at least 4 piston seals.
  • 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.
  • the piston seals of the sealing device are designed as double-acting piston seals. This not only facilitates the alternating relative movement between the adjusting piston and the cylinder bore and avoids a negative influence on the sealing effect, but also allows a two-sided effect of the cylinder-piston unit.
  • An expedient design of the piston seals provides that the double-acting piston seals are formed in two parts, wherein the two-part piston seals each have a positioning ring and a sliding ring, preferably made of plastic.
  • the positioning ring usually a dimensionally stable O-ring, allows a secure arrangement of the piston seal in bias against the circumferential groove in the outer wall of the adjusting.
  • the sliding ring preferably made of a low-friction plastic material, with a rectangular body and a center in the direction of the inner wall of the cylinder bore protruding sealing lip allows a good seal with high pressure resistance and a good low friction sliding against the inner wall of the cylinder bore.
  • the sealing device comprises a scraper, wherein the scraper is arranged at a pressure chamber facing the end of the outer wall of the adjusting piston.
  • the scraper which is arranged between the filled with engine oil pressure chamber and the first piston seal in the direction of the pressure chamber, prevents or reduces the entry of soot particles and chips from the engine oil in the gap between the adjusting piston and the cylinder bore and finally between the piston seal and inner wall of the cylinder bore. This reduces the risk of wear, damage and failure of the sealing device and thus ultimately increases the life of the cylinder-piston unit significantly.
  • the adjusting piston of the cylinder-piston unit is designed as a double-acting adjusting piston, wherein the longitudinally movably arranged in the cylinder bore adjusting piston forms a first pressure chamber and a second pressure chamber for receiving engine oil and bounded on one side.
  • a two-way adjusting piston allows the adjustment of the stroke 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. It is therefore the same adjusting piston, unlike in DE 10 2005 055 199 A1, for bidirectional adjustment of the piston stroke, or the compression ratio used.
  • a stepped piston can be used, by means of which the larger end face is pressed with appropriate pressurization, the connecting rod in its extended position. Due to the prevailing force conditions in an internal combustion engine, the smaller end face usually suffices for the adjustment in the opposite direction.
  • a further embodiment provides that the adjusting piston has at a second end face which delimits the second pressure chamber, a piston rod which extends through a rod bore of the cylinder-piston unit, wherein at least two rod seals are provided, each rod seal in a circumferential groove is arranged in the rod bore and is in sliding contact with the piston rod. Due to the two separate rod bores, which are arranged securely in the separate circumferential grooves in the rod bore, a pressure reduction of the high system pressure can be carried out in several stages in the area of the piston rod and correspondingly simple design and cost-effectively manufactured rod seals can be used. Here are the rod seals for a secure sealing function and the mobility of the piston rod against the rod bore with the piston rod in sliding contact.
  • rod scraper wherein the rod scraper is arranged on a second pressure chamber facing the end of the rod bore.
  • the rod scraper thereby prevents the introduction of soot particles and chips from the engine oil between the piston rod and the rod bore and thus avoids wear, damage and ultimately failure of the sealing device between the piston rod and rod bore of the cylinder-piston unit.
  • 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 a sealing device for a length-adjustable connecting rod of an internal combustion engine having a first Pleuelteil and a second Pleuelteil, which are adjustable by means of the cylinder-piston unit to the first Pleuelteil relative to to move second connecting rod
  • the cylinder-piston unit comprises a cylinder bore, a longitudinally movably arranged in the cylinder bore adjusting piston, at least one provided in the cylinder bore pressure chamber and arranged between the outer wall of the adjusting piston and the inner wall of the cylinder bore sealing means, wherein the sealing means min - at least two piston seals comprises, each piston seal is arranged in a separate circumferential groove on the outer wall of the adjusting and is in sliding contact with the inner wall of the cylinder bore.
  • 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 and up to 20% if, depending on the respective operating state, the compression ratio is adjusted accordingly.
  • the cylinder-piston unit of the length-adjustable connecting rod can be connected to the engine oil of the internal combustion engine.
  • the adjustment mechanism of the length-adjustable connecting rod can be controlled by means of the pressurized engine oil.
  • system pressure of the engine oil in the pressure chamber of the cylinder-piston unit is between 1000 bar and 3000 bar, preferably between 2000 and 3000 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 tax drive is important because it has a significant impact on the dynamic burden of tion of the internal combustion engine and thus can also have 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. 2 is a schematic representation of the length-adjustable connecting rod of FIG. 1 in a partially sectioned illustration
  • FIG. 3 is a sectional view of an embodiment of an adjusting piston of the cylinder-piston unit of Fig. 2,
  • FIG. 4 shows a sectional view of a further embodiment of an adjusting piston of the cylinder-piston unit from FIG. 2.
  • 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 3.1, 3.2, 3.3 moves up and down.
  • the internal combustion engine 1 comprises a crankshaft 4, which is rotatably mounted by means of crankshaft bearings 5.1 - 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 large connecting rod 8.1, 8.2, and 8.3 is each mounted on the associated crankshaft journal 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 rod 9.1, 9.2 and 9.3 and large connecting rod 8.1, 8.2 and 8.3 neither an absolute nor relative size assignment refer to, but they are only used to distinguish the components and assignment to the 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 centered under 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 connecting rods 6.1, 6.2 and 6.3 are 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 eye 9.1, a first connecting rod part 18.1, which is guided telescopically in a second connecting rod part 19.1.
  • 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 lower end of the first connecting rod 18.1 is connected to the adjusting piston 21.1, which in the cylinder bore 22.1 of second connecting rod 19.1 slidably guided.
  • the second connecting rod part 19.1 has a cover 19a.1, through which 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.
  • 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.
  • the adjusting piston 21.1 and the cylinder bore 22.1 are part of an adjusting mechanism for changing the connecting rod length.
  • the adjusting mechanism also includes a hydraulic circuit 26.1, which is described in more detail below and correspondingly for an inflow or outflow of the hydraulic fluid into and out of the pressure chambers 24.1 and 25.1 and thus for a fixing of the adjusting piston 21 activated by the forces acting on the connecting rod 6.1 .1 cares.
  • the portion of the second connecting rod 19.1 in the area of the pressure chambers 24.1 and 25.1 and the adjusting piston 21.1 in cross-section annular (with the exception of any existing hydraulic fluid lines) configured.
  • Other geometric dimensions are conceivable.
  • the wall thickness D w 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 stepped piston. Under a stepped piston is generally understood to mean a two-sided piston with different sized effective surfaces. A first end face 27.1 is circular in shape and associated with the first pressure chamber 24.1. A second end face 28.1 is designed annular and associated with the second pressure chamber 25.1.
  • the hydraulic circuit 26.1 is operated with engine oil.
  • an oil supply channel 29.1 communicates with the large connecting rod eye 8.1 in connection, whereby motor oil of the hydraulic circuit 26.1 can be supplied or optionally flows out of this.
  • a scoopströmdrossel 30.1 is provided with a check valve and a throttle connected in parallel thereto. From the remindströmdrossel 30.1 from the engine oil passes through the channel 31 .1 to a control valve 32.1.
  • the control valve 32.1 comprises a control piston 32a.1, which is displaceably guided against a compression spring 32b.1. From the first pressure chamber 24.1 leads a return channel 40.1 to the control valve 32.1.
  • An isolatable by a check valve 41.1 oil passage 42.1 is also in communication with the control valve 32.1 and leads to the first pressure chamber 24.1.
  • the first return passage 40.1 is closed in the position of the actuating piston 32a.1 shown in FIG.
  • Oil from the first pressure chamber 24.1 can not escape due to the closed check valve 41 .1.
  • the adjusting piston 21 .1 moves or is in the final extended upper position and is hydraulically locked there.
  • the connecting rod 6.1 is in its extended position.
  • From the second pressure chamber 25.1 leads a return line 43.1 to the control valve 32.1.
  • engine oil can flow out of the second pressure chamber 25.1 via the return line 43.1 and the control valve 32.1 as well as the outlet 44.1 into the crankcase.
  • another check valve 46.1 is arranged in the outgoing from the second pressure chamber 25.1 to the control valve 32.1.
  • the actuating piston 32a.1 in the control valve 32.1 is displaced against the force of the compression spring 32b.1.
  • the first return passage 40.1 is opened and the engine oil can flow out of the first pressure chamber 24.1 via the channel 31 .1 and the return flow throttle 30.1.
  • the adjusting piston 21.1 decreases.
  • the return line 43.1 is closed and filled via the oil passage 45.1 and the check valve 46.1 of the second pressure chamber 25.1 with engine oil.
  • Figure 3 shows a sectional view of the cylinder-piston unit 20.1 of the longitudinally adjustable connecting rod 6.1 of Figure 2 with a two-stage adjusting piston 21.1 which is longitudinally displaceable in the cylinder bore 22.1.
  • the sealing device 23.1 provided between the inner wall 38.1 of the cylinder bore 22.1 and the outer wall 39.1 of the adjusting piston 21.1 comprises two piston seals 33.1 which are each arranged in a separate circumferential piston groove 34.1 in the outer wall 39.1 of the adjusting piston 21.1.
  • the piston seals 33.1 fixed in position on the adjusting piston 21.1 and sealed with respect to the outer wall 39.1 of the adjusting piston 21.1 are in sliding contact with the inner wall 38.1 of the cylinder bore 22.1.
  • the piston seals 33.1 seal the First pressure chamber 24.1 and prevent passage of the engine oil from the first pressure chamber 24.1 through the gap 35.1 between the outer wall 38.1 of the adjusting piston 21.1 and the inner wall 39.1 of the cylinder bore 22.1.
  • the piston seals 33.1 according to the position of the bidirectionally acting adjusting piston 21.1 both in the direction of the first pressure chamber 24.1 and in the direction of the second pressure chamber 25.1 as a double-acting piston seals 33.1 achieve a seal.
  • the piston seals 33.1 are formed in two parts with a positioning ring which is arranged with a bias in the piston groove 34.1 and a secure seal causes, as with a sliding ring of a low-friction plastic material of the sliding contact against the inner wall 38.1 of the cylinder bore 22.1 with one in both Directional sealing lip allows a good seal against the inner wall 38.1.
  • the first connecting rod part 18.1 comprises a piston rod 18a which extends in the direction of the axis of the first connecting rod part 18.1 from the second end face 28.1 of the adjusting piston 23.1 in the direction of the small connecting rod eye 9.1.
  • the piston rod 18a.1 extends through a rod bore 36.1 in the cover 19a.1 of the second connecting rod part 19.1, which delimits the cylinder bore 22.1 in the direction of the small connecting rod eye 9.1.
  • In the rod bore 36.1 are spaced apart two circumferential bore grooves 37.1. provided, in each of which a rod seal 47.1 is arranged.
  • the rod seals 47.1 sit under a bias in the bore grooves 37.1 in order to achieve the best possible sealing effect between the rod seal 47.1 and the rod bore 36.1. Similar to the piston seals 33.1, the rod seals 47.1 can be constructed in two parts, with an externally arranged positioning ring and an inner slide ring made of plastic, which is in sliding contact with the piston rod 18a.1 to securely seal the second pressure chamber 25.1 and a gradual reduction of the system pressure in allow second pressure chamber 25.1.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of an adjusting piston 21.1 of the cylinder-piston unit 20.1 of the length-adjustable connecting rod 6.1 from FIG. 2 in a sectional view.
  • This adjusting piston 21 .1 is provided on its outer wall 39.1 with six mutually spaced piston grooves 34.1, wherein in the four central piston grooves 34.1 four mutually spaced piston seals 33.1 are arranged. Since the piston seals 33.1 are each arranged at a distance from each other in separate piston grooves 34.1, both a good sealing effect between the piston seals 33.1 and the outer wall 39.1 of the adjusting 21.1 is achieved, as well as in conjunction with the sliding contact between the piston seals 33.1 and the inner wall 38.1 of the cylinder bore 22.1 allows a gradual pressure reduction of the high system pressure in the first pressure chamber 24.1 and second pressure chamber 25.1. By reducing the pressure drop to be realized by the individual piston seals 33.1, it is also possible to use piston seals 33.1 with a mean maximum permissible pressure.

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Abstract

Die 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 eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und einer zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung. Die Dichtungseinrichtung umfasst dabei mindestens zwei Kolbendichtungen, die in separaten an der Außenwandung des Verstellkolbens ausgebildeten Kolbennuten angeordnet sind und mit der Innwandung der Zylinderbohrung in Gleitkontakt stehen. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.

Description

Längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit mehreren Kolbendichtungen
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 eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und einer zwischen einer Außenwandung des Verstellkolbens und einer Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung. 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 Stangenteilen, 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 hydraulischer 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 Hydraulikzylinders 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 hydraulischer 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. Die 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 zugeordneten Rücklaufkanal geöffnet. Durch diese Rücklaufkanäle kann Motoröl unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und der Versorgungseinrichtung in das Kurbelgehäuse fließen. 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 den Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit erheblich sein können. Angesichts der hohen Innendrücke bei einer Zylinder-Kolben-Einheit ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe problematisch, aber auch die Konstruktion der Komponenten im Hinblick auf den geringen Bauraum.
Ein weiterer Aspekt einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor ist, dass der hydraulische Verstellmechanismus üblicherweise von dem Motoröl des Verbrennungsmotors gespeist wird, dessen Viskosität nicht nur mit der Betriebstemperatur sondern auch mit zunehmender Betriebsdauer abnimmt und in dem schädliche Partikel in den Verstellmechanismus des Pleuels eingetragen werden. Neben Rußpartikeln, die bei der Verbrennung im Motor entstehen können, werden über das Motoröl auch Gussrestpartikel oder Späne aus der Herstellung und Bearbeitung des Motors transportiert. Unabhängig von einer Viskositätsabnahme des Motoröls sowie den durch das Motoröl in den Verstellmechanismus transportierten Partikeln, muss der Verstellmechanismus einer längenverstellbaren Pleuelstange auf Dauer funktionsfähig bleiben.
Im Hinblick auf die extremen Druckdifferenzen in den Druckräumen einer Zylinder-Kolben- Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange von deutlich über 1.000 bar und dem Einfluss der Kraftübertragung über die Pleuelstange an die Kurbelwelle auf die Leistung des Verbrennungsmotors, werden in herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen berührende Dichtungseinrichtungen oder konstruktiv ausgebildete Dichtungen eingesetzt. Eine Leckage aus dem jeweils gesperrten Druckraum führt zu einem Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen Druckraum, wodurch ein Arbeitsbetrag entsprechend der Kraft auf den Verstellkolben und dem Weg des Verstellkolbens dissipiert wird, was zum Leistungsverlust des Verbrennungsmotors führt. Dieser Leistungsverlust ist entsprechend den jeweiligen Konstruktionen der Zylinder- Kolben-Einheiten von dem verbesserten thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch ein variables Verdichtungsverhältnis abzuziehen. In herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen mit einer Zylinder-Kolben-Einheit werden als Dichtungseinrichtungen zumeist einfache Spaltdichtungen verwendet. Im Gegensatz zu Kontaktdichtungen, die als berührende Dichtungseinrichtungen eine Leckage verhindern, weisen Spaltdichtungen konstuktionsbedingt eine gewisse Leckage auf. Die Vorteile von Spaltdichtungen sind die einfache Montage, aufgrund der geringeren Bauteilanzahl und ein geringerer Bauraum der Zylinder-Kolben-Einheit. Demgegenüber verursacht die systemimmanente Leckage bei Spaltdichtungen neben einem Leistungsverlust auch eine Erwärmung des Systems. Kontaktdichtungen, beispielsweise Kolben- oder Stangendichtungen, die zwischen den längs verschieblichen Bauteilen einer Zylinder- Kolben-Einheit angeordnet werden können, können eine Leckage von Motoröl aus dem Druckraum annähernd vollständig verhindern und einen entsprechende Leistungsverlust vermeiden. Jedoch sind Kontaktdichtungen sehr empfindlich gegenüber Rußpartikeln und Spänen im Motoröl, die zu starken Beschädigungen an den Oberflächen der Dichtungseinrichtung und letztendlich zu einer Fehlfunktion oder Ausfall der Dichtungseinrichtung führen können. Diese Gefährdung steigt mit höheren Systemdrücken, da die Partikel aus dem Motoröl in ansteigendem Maße zwischen den Kolbenmantel und die Zylinderwandung gefördert werden und sich dort an den Dichtungsflächen eingraben.
Obwohl in vielen Bereichen der Technik Kolbenhubmaschinen hinlänglich bekannt sind und im Bereich der Automobilindustrie Hubkolben-Motoren beständig optimiert, verbessert und weiterentwickelt werden, ist die Dichtungssituation bei 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. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hubkolbenmaschinen unterliegen berührende Kolbendichtungen in einer Zylinder- Kolben-Einheit längenverstellbarer Pleuelstangen zusätzlich zum Verschleiß durch die metallische Berührung einer erhöhten Belastung durch den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum, die extreme Temperaturbelastung durch extrem hohe Drücke und wechselnden Kraftrichtungen sowie die Verschmutzung des Motoröls mit Rußpartikeln und Spänen. Dies führt zu einem schnellen Verschleiß der Kolbendichtungen und Riefenbildungen in den Wandungen der Zylinder-Kolben-Einheit und schlussendlich zu einem Versagen der Dichtungseinrichtung und Leistungsverlust des Verbrennungsmotors. Entsprechend werden in neueren Entwicklungen längenverstellbarer Pleuelstangen bevorzugt Spaltdichtungen eingesetzt, die zumindest den Vorteil einer geringeren Bauteilanzahl eines geringen Bauraums ermöglichen. Funktional unterliegen solche Spaltdichtungen in Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen trotzdem einem deutlichen Verschleiß, da der Spalt zwischen Zylinder und Verstellkolben zur Erzielung einer für die extreme Druckdifferenz ausreichende Dichtwirkung verhältnismäßig klein gewählt werden muss. Unabhängig davon, ob als Dichtungseinrichtung für eine Zylinder- Kolben-Einheit eine berührungslose Spaltdichtung oder eine Kontaktdichtung eingesetzt wird, führt der hohe Systemdruck in der Zylinder-Kolben-Einheit dazu, dass sich Rußpartikel und Späne aus dem Motoröl zwischen die Zylinderwandung und dem Kolbenmantel eindringen und sich zwischen den Dichtungsoberflächen verklemmen, was zu starken Beschädigungen an den Oberflächen und letztlich zu einem Verschleiß und Ausfall der Zylinder-Kolben-Einheit führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit einer verbesserten Dichtungseinrichtung bereitzustellen, die trotz hoher Druckdifferenzen und geringem Bauraum, eine verbesserte dauerhafte Dichtwirkung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtungseinrichtung mindestens zwei Kolbendichtungen umfasst, wobei jede Kolbendichtung in einer separaten an der Außenwand des Verstellkolbens umlaufenden Nut angeordnet ist und mit der Innenwandung der Zylinderbohrung in Gleitkontakt steht. Das Vorsehen von mindestens zwei Kolbendichtungen verringert den Druckabfall, der bedingt durch die extrem hohen Systemdrucke über jede der separaten Kolbendichtungen abgebaut werden muss und reduziert entsprechend die Gefahr des Eintragens von Partikeln aus dem Motoröl und vemeidet nachfolgend eine Beschädigung der Dichtungsoberfläche durch diese Partikel. Darüber hinaus ermöglicht der stufenweise Abbau der hohen Systemdrucke in der Zylinder-Kolben-Einheit den Einsatz einfacherer und kostengünstigerer Kolbendichtungen mit einem flacheren Aufbau, die auch in dem geringen zur Verfügung stehenden Bauraum einer Zylinder-Kolben-Einheit ohne konstruktive Kompensationsmaßnahmen verwendet werden können. Für einen sicheren Druckaufbau sind die Kolbendichtungen dabei jeweils in einer separaten an der Außenwandung des Verstellkolbens umlaufenden Nut angeordnet, die nicht nur eine Abdichtung der Kolbendichtung gegenüber dem Verstellkolben gewährleistet, sondern auch trotz der hohen Systemdrücke und der Relativbewegung gegenüber der Innenwandung der Zylinderbohrung mit geringem Aufwand eine sichere Positionierung der Kolbenabdichtung ermöglicht. Zur Verstärkung der positiven Effekte eines stufenweisen Druckabbaus und Begrenzungen des auf die einzelnen Kolbendichtungen wirkenden Druckabfalls kann die Dichtungseinrichtung 3, bevorzugt mindestens 4 Kolbendichtungen umfassen.
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.
Bevorzugt sind die Kolbendichtungen der Dichtungseinrichtung als doppelt wirkende Kolbendichtungen ausgebildet. Dadurch wird nicht nur die alternierende Relativbewegung zwischen dem Verstellkolben und der Zylinderbohrung erleichtert und ein negativer Einfluss auf die Dichtwirkung vermeidet, sondern auch eine zweiseitige Wirkung der Zylinder-Kolben-Einheit ermöglicht. Eine zweckmäßige Ausbildung der Kolbendichtungen sieht dabei vor, dass die doppelwirkenden Kolbendichtungen zweiteilig ausgebildet sind, wobei die zweiteiligen Kolbendichtungen jeweils einen Positionierring und einen Gleitring, bevorzugt aus Kunststoff, aufweisen. Der Positionierring, üblicherweise ein formstabiler O-Ring, ermöglicht eine sichere Anordnung der Kolbendichtung in Vorspannung gegenüber der umlaufenden Nut in der Außenwandung des Verstellkolbens. Demgegenüber ermöglicht der Gleitring, vorzugsweise aus einem reibungsarmen Kunststoffmaterial, mit einem rechteckförmigen Körper und einer mittig in Richtung der Innenwandung der Zylinderbohrung vorstehenden Dichtlippe, eine gute Abdichtung bei hoher Druckbeständigkeit und ein gutes reibungsarmes Gleitvermögen gegenüber der Innenwandung der Zylinderbohrung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass die Dichtungseinrichtung einen Abstreifer umfasst, wobei der Abstreifer an einem dem Druckraum zugewandten Ende der Außenwandung des Verstellkolbens angeordnet ist. Der Abstreifer der zwischen dem mit Motoröl gefüllten Druckraum und der in Richtung des Druckraums ersten Kolbendichtung angeordnet ist, verhindert oder reduziert den Eintrag von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl in den Spalt zwischen Verstellkolben und Zylinderbohrung und schlussendlich zwischen Kolbendichtung und Innenwandung der Zylinderbohrung. Dadurch wird die Gefahr von Verschleiß, Schädigung und Ausfall der Dichtungseinrichtung reduziert und damit letztendlich die Lebensdauer der Zylinder- Kolben-Einheit deutlich erhöht.
Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass der Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit als zweiseitig wirkender Verstellkolben ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordnete Verstellkolben einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und jeweils einseitig begrenzt. Ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ermöglicht die Verstellung des Hubs 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 Verstellung des Kolbenhubs, bzw. des Verdichtungsverhältnisses verwendet. Günstigerweise kann hier ein Stufenkolben eingesetzt werden, mittels dessen größerer Stirnseite bei entsprechender Druckbeaufschlagung die Pleuelstange in ihre ausgefahrene Stellung gedrückt wird. Aufgrund der vorherrschenden Kraftverhältnisse in einem Verbrennungsmotor reicht die kleinere Stirnfläche für die Verstellung in die entgegengesetzte Richtung üblicherweise aus. Dabei kann der Verstellkolben an den dem ersten Druckraum und zweiten Druckraum zugewandten Enden der Außenwandung, jeweils einen Abstreifer aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Verstellkolben an einer zweiten Stirnseite, die den zweiten Druckraum begrenzt, eine Kolbenstange aufweist, die sich durch eine Stangenbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit erstreckt, wobei mindestens zwei Stangendichtungen vorgesehen sind, jede Stangendichtung in einer umlaufenden Nut in der Stangenbohrung angeordnet ist und mit der Kolbenstange in Gleitkontakt steht. Durch die zwei separaten Stangenbohrungen, die sicher in den separaten umlaufenden Nuten in der Stangenbohrung angeordnet sind, kann auch im Bereich der Kolbenstange ein Druckabbau des hohen Systemdrucks in mehreren Stufen erfolgen und entsprechend einfach konstruierte und kostengünstiger hergestellte Stangendichtungen verwendet werden. Dabei stehen die Stangendichtungen für eine sichere Dichtungsfunktion und die Bewegbarkeit der Kolbenstange gegenüber der Stangenbohrung mit der Kolbenstange im Gleitkontakt. Sinnvollerweise ist ein Stangenabstreifer vorgesehen, wobei der Stangenabstreifer an einem dem zweiten Druckraum zugewandten Ende der Stangenbohrung angeordnet ist. Der Stangenabstreifer verhindert dadurch ein Eintragen von Rußpartikeln und Spänen aus dem Motoröl zwischen die Kolbenstange und die Stangenbohrung und vermeidet damit einen Verschleiß, Beschädigung und letztendlich einen Ausfall der Dichtungseinrichtung zwischen Kolbenstange und Stangenbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit.
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 einer Dichtungseinrichtung für eine längenverstellbaren Pleuelstange eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, die mittels der Zylinder-Kolben- Einheit verstellbar sind, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und die zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung, wobei die Dichtungseinrichtung min- destens zwei Kolbendichtungen umfasst, jede Kolbendichtung in einer separaten an der Außenwandung des Verstellkolbens umlaufenden Nut angeordnet ist und mit der Innenwandung der Zylinderbohrung in Gleitkontakt steht. Der Einsatz von mehreren Kolbendichtungen in der Zylinder-Kolben-Einheit einer längenverstellbaren Pleuelstange ermöglicht trotz des extrem hohen Systemdrucks und der relativ kleinen Baugröße der Zylinder-Kolben-Einheit eine gute Abdichtung des Druckraums und über den stufenweisen Abbau des hohen Systemdrucks den Einsatz von Kolbendichtungen mit kleinen Abmessungen. Dabei erfolgt die Aktuierung der Zylinder-Kolben-Einheit mittels der an den Pleuelteilen angreifenden Gas- und Massen kräfte des Verbrennungsmotors, während die Position der Pleuelteile durch das in dem mindestens einen Druckraum vorhandene Motoröl arretiert wird.
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 und bis zu 20 % betragen, 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. Damit können die im Motorölkreislauf vorhandenen Drücke zur Verstellung und Arretierung des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung der Zylinder- Kolben-Einheit zur Anwendung kommen. Darüber hinaus kann auch der Verstellmechanismus der längenverstellbaren Pleuelstange mittels des unter Druck stehenden Motoröls angesteuert werden.
Eine weitere Modifikation sieht vor, das der Systemdruck des Motoröls im Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit zwischen 1000 bar und 3000 bar, bevorzugt zwischen 2000 bar und 3000 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 Belas- tung 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,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1 in teilweiser geschnittener Darstellung,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Verstellkolbens der Zylinder-Kolben- Einheit aus Fig. 2,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Verstellkolbens der Zylinder- Kolben-Einheit aus Fig. 2.
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 - 5.4 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 weder 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 (n, 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. Das untere 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 das erste Pleuelteil 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. Der Verstellkolben 21.1 und die Zylinderbohrung 22.1 sind Bestandteil eines Verstellmechanismus zur Veränderung der Pleuelstangenlänge. Zu dem Verstellmechanismus gehört auch eine unten näher beschriebene hydraulische Schaltung 26.1 , die entsprechend für einen Zu- bzw. Ablauf des Hydraulikfluids 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 Hydraulikfluidleitungen) ausgestaltet. Andere geometrische Abmessungen sind denkbar. Entsprechend ergibt sich hier die Wandstärke Dw 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 in der Pleuelstange 6.1 verwendete hydraulische Schaltung 26.1 näher erläutert. Der Verstellkolben 21 .1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 ist als Stufenkolben ausgebildet. Unter einem Stufenkolben wird im Allgemeinen ein zweiseitig wirkender Kolben mit unterschiedlich großen Wirkflächen verstanden. Eine erste Stirnseite 27.1 ist kreisförmig ausgestaltet und dem ersten Druckraum 24.1 zugeordnet. Eine zweite Stirnseite 28.1 ist kreisringförmig ausgestaltet und dem zweiten Druckraum 25.1 zugeordnet. Die hydraulische Schaltung 26.1 wird mit Motoröl betrieben. Hierzu steht ein Ölversorgungskanal 29.1 mit dem großen Pleuelauge 8.1 in Verbindung, wodurch Motoröl der hydraulischen Schaltung 26.1 zugeführt werden kann oder gegebenenfalls aus dieser abfließt. Von des Ölversorgungskanals 29.1 ist eine Rückströmdrossel 30.1 mit einem Rückschlagventil und einer parallel dazu geschalteten Drossel vorgesehen. Von der Rückströmdrossel 30.1 aus gelangt das Motoröl über den Kanal 31 .1 zu einem Steuerventil 32.1. Das Steuerventil 32.1 umfasst einen Stellkolben 32a.1 , der gegen eine Druckfeder 32b.1 verschiebbar geführt ist. Aus dem ersten Druckraum 24.1 führt ein Rücklaufkanal 40.1 zum Steuerventil 32.1. Ein durch ein Rückschlagventil 41.1 absperrbarer Ölkanal 42.1 steht ebenfalls mit dem Steuerventil 32.1 in Verbindung und führt zum ersten Druckraum 24.1 . Der erste Rücklaufkanal 40.1 ist in der in Fig. 2 gezeigten Stellung des Stellkolbens 32a.1 verschlossen. Öl aus dem ersten Druckraum 24.1 kann aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 41 .1 nicht entweichen. Der Verstellkolben 21 .1 fährt oder ist in der finalen ausgefahrenen oberen Stellung und ist dort hydraulisch gesperrt. Hierdurch befindet sich die Pleuelstange 6.1 in ihrer längeren Stellung. Aus dem zweiten Druckraum 25.1 führt eine Rücklaufleitung 43.1 zum Steuerventil 32.1. In der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Steuerventils 32.1 kann Motoröl aus dem zweiten Druckraum 25.1 über die Rücklaufleitung 43.1 und das Steuerventil 32.1 sowie den Auslass 44.1 ins Kurbelgehäuse abfließen. In dem ebenfalls aus dem zweiten Druckraum 25.1 zum Steuerventil 32.1 abgehenden Ölkanal 45.1 ist ein weiteres Rückschlagventil 46.1 angeordnet.
Wird aber nunmehr der Druck des in die hydraulische Schaltung 26.1 einströmenden Motoröls über die Ölpumpe des Verbrennungsmotors erhöht, kommt es zu einem Verschieben des Stellkolbens 32a.1 im Steuerventil 32.1 entgegen der Kraft der Druckfeder 32b.1 . Hierdurch wird der erste Rücklaufkanal 40.1 geöffnet und das Motoröl kann aus dem ersten Druckraum 24.1 über den Kanal 31 .1 und die Rückstromdrossel 30.1 abfließen. Hierdurch sinkt der Verstellkolben 21.1 ab. Gleichzeitig wird die Rücklaufleitung 43.1 geschlossen und über den Ölkanal 45.1 und das Rückschlagventil 46.1 der zweite Druckraum 25.1 mit Motoröl gefüllt. Sobald der Verstellkolben 21.1 am unteren Anschlag anliegt, ist der Verstellkolben 21 .1 in dieser Stellung hydraulisch arretiert, solange ein ausreichender Druck am Steuerventil 32.1 anliegt, und die Pleuelstange 6.1 nimmt ihre kurze Stellung ein. Diese eingefahrene Stellung ist vorteilhaft bei Volllast, wohingegen die ausgefahrene Stellung entsprechend Fig. 2 für den Teil- und Niedriglastbetrieb vorteilhaft ist. Hinsichtlich der weiteren Wirkungs- und Funktionsweise wird ergänzend auf die WO 2015/055582 A2 verwiesen, die den hier gezeigten Verstellmechanismus und Varianten hierzu im Detail beschreibt, die ebenfalls Anwendung finden können.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 der längsverstellbaren Pleuelstange 6.1 aus Figur 2 mit einem zweistufigen Verstellkolben 21.1 der in der Zylinderbohrung 22.1 längsbeweglich verschiebbar ist. Die zwischen der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 und der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21 .1 vorgesehene Dichtungseinrichtung 23.1 umfasst zwei Kolbendichtungen 33.1 , die jeweils in einer separaten umlaufenden Kolbennut 34.1 in der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 angeordnet sind. Die auf dem Verstellkolben 21.1 in ihrer Position fixierten und gegenüber der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 abgedichteten Kolbendichtungen 33.1 stehen mit der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 in Gleitkontakt. Entsprechend dichten die Kolbendichtungen 33.1 den ersten Druckraum 24.1 ab und verhindern ein Hindurchtreten des Motoröls aus dem ersten Druckraum 24.1 durch den Spalt 35.1 zwischen der Außenwandung 38.1 des Verstellkolbens 21.1 und der Innenwandung 39.1 der Zylinderbohrung 22.1. Die Kolbendichtungen 33.1 können entsprechend der Position des bidirektional wirkenden Verstellkolbens 21.1 sowohl in Richtung des ersten Druckraums 24.1 als auch in Richtung des zweiten Druckraums 25.1 als beidseitig wirkende Kolbendichtungen 33.1 eine Abdichtung erzielen. Dabei sind die Kolbendichtungen 33.1 zweiteilig ausgebildet mit einem Positionierring, der mit einer Vorspannung in der Kolbennut 34.1 angeordnet ist und eine sichere Abdichtung bewirkt, so wie mit einem Gleitring aus einem reibungsarmen Kunststoffmaterial der trotz des Gleitkontakts zur Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 mit einer in beide Richtungen wirkenden Dichtlippe eine gute Abdichtung gegenüber der Innenwandung 38.1 ermöglicht.
In der in Figur 2 und Figur 3 gezeigten ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 herrscht im ersten Druckraum 24.1 während in der Kompressions- und Verbrennungsphase im ersten Zylinder 2.1 des Verbrennungsmotors 1 ein sehr hoher Systemdruck von deutlich über 1 .000 bar. Durch den Einsatz von mehreren Kolbendichtungen 33.1 erfolgt der Druckabbau in der Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen dem ersten Druckraum 24.1 und dem zweiten Druckraum 25.1 , der in der ausgefahrenen Stellung der Pleuelstange 6.1 unter atmosphärischem Druck steht, in mehreren Schritten entsprechend der Anzahl der Kolbendichtungen 33.1. Die Reduzierung des auf die einzelne Kolbendichtung 33.1 wirkenden Drucks ermöglicht den Einsatz von Kolbendichtungen 33.1 mit einer gegenüber dem hohen Systemdruck reduzierten Druckbelastbarkeit.
Das erste Pleuelteil 18.1 umfasst eine Kolbenstange 18a, die sich in Richtung der Achse des ersten Pleuelteils 18.1 von der zweiten Stirnseite 28.1 des Verstellkolbens 23.1 in Richtung des kleinen Pleuelauges 9.1 erstreckt. Wie in Figur 3 zu erkennen, erstreckt sich die Kolbenstange 18a.1 durch eine Stangenbohrung 36.1 in dem Deckel 19a.1 des zweiten Pleuelteils 19.1 , der die Zylinderbohrung 22.1 in Richtung des kleinen Pleuelauges 9.1 begrenzt. In der Stangenbohrung 36.1 sind im Abstand zueinander zwei umlaufende Bohrungsnuten 37.1 . vorgesehen, in denen jeweils eine Stangendichtung 47.1 angeordnet ist. Dabei sitzen die Stangendichtungen 47.1 unter einer Vorspannung in den Bohrungsnuten 37.1 um eine möglichst gute Dichtwirkung zwischen der Stangendichtung 47.1 und der Stangenbohrung 36.1 zu erzielen. Ähnlich zu den Kolbendichtungen 33.1 können die Stangendichtungen 47.1 zweiteilig aufgebaut sein, mit einem außen angeordneten Positionierring und einem innenliegenden Gleitring aus Kunststoff, der mit der Kolbenstange 18a.1 im Gleitkontakt steht, um den zweiten Druckraum 25.1 sicher abzudichten und einen stufenweisen Abbau des Systemdrucks im zweiten Druckraum 25.1 zu ermöglichen. In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Verstellkolbens 21.1 der Zylinder-Kolben- Einheit 20.1 der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 aus Figur 2 in einer Schnittansicht gezeigt. Dieser Verstellkolben 21 .1 ist an seiner Außenwandung 39.1 mit sechs im Abstand zueinander angeordneten Kolbennuten 34.1 versehen, wobei in den vier mittleren Kolbennuten 34.1 vier im Abstand zueinander angeordnete Kolbendichtungen 33.1 angeordnet sind. Da die Kolbendichtungen 33.1 jeweils im Abstand zueinander in separaten Kolbennuten 34.1 angeordnet sind, wird sowohl eine gute Dichtwirkung zwischen den Kolbendichtungen 33.1 und der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 erzielt, als auch in Verbindung mit dem Gleitkontakt zwischen den Kolbendichtungen 33.1 und der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 eine stufenweise Druckreduzierung des hohen Systemdrucks im ersten Druckraum 24.1 bzw. zweiten Druckraum 25.1 ermöglicht. Durch die Verringerung des von den einzelnen Kolbendichtungen 33.1 zu verwirklichenden Druckabfalls können auch Kolbendichtungen 33.1 mit einem mittleren maximal zulässigen Druck eingesetzt werden.
In den der ersten Stirnseite 27.1 und der zweiten Stirnseite 28.1 angrenzenden Kolbennuten 34.1 an der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 sind Abstreifer 48.1 vorgesehen, die bei einer Bewegung des Verstellkolbens 21.1 in der Zylinderbohrung 22.1 ein Eindringen von Partikeln aus dem Motoröl in den Spalt 35.1 zwischen Verstellkolben 21 .1. und Zylinderbohrung 22.1 verhindern. Die Motoröl-Abstreifer 48.1 ist dabei sicher in den an den Enden der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21 .1 gelegenen Kolbennuten 34.1 positioniert. Im Gegensatz zu Spaltdichtungen erfolgt bei dieser berührenden Dichtungseinrichtung 23.1 der Druckabfall in Stufen über mehrere Kolbendichtungen 33.1 , sodass die Abstreifer 48.1 bei einer Bewegung des Verstellkolbens 21 .1 nicht in den Spalt 35.1 hineingesogen werden.
Auch zwischen den Stangendichtungen 47.1 in den Bohrungsnuten 37.1 der Stangenbohrung 36.1 und dem zweiten Druckraum 25.1 ist ein weiterer Abstreifer 48.1 vorgesehen, der ebenfalls in einer Bohrungsnut 37.1 angeordnet ist und das Eindringen von Partikeln aus dem Motoröl zwischen Stangenbohrung 36.1 und Kolbenstange 18a.1 verhindert. 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 hydraulische Schaltung
27.1 erste Stirnseite
28.1 zweite Stirnseite
29.1 Ölversorgungskanal 0.1 Rückströmdrossel
31.1 Kanal
32.1 Steuerventil
32a.1 Stellkolben
32b.1 Druckfeder
33.1 Kolbendichtung
34.1 Kolbennut
35.1 Spalt
36.1 Stangenbohrung
37.1 Bohrungsnut
38.1 Innenwandung
39.1 Außenwandung
40.1 Rücklaufkanal
41.1 Rückschlagventil
42.1 Ölkanal
43.1 Rücklaufleitung
44.1 Auslass
45.1 Ölkanal
46.1 Rückschlagventil
47.1 Stangendichtung
48.1 Ölabstreifer
Dw Wandstärke
Vh Hubvolumen
Vc Kompressionsvolumen
Hc Kompressionshöhe
HK 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 ) weist ein kleines Pleuelauge (9.1 ) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1 ) und das zweite Pleuelteil (19.1 ) weist ein großes Pleuelauge (8.1 ) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1 ) auf, wobei das erste Pleuelteil (18.1 ) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1 ) bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem großen Pleuelauge (8.1 ) und dem kleinen Pleuelauge (9.1 ) 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 eine 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, der Druckraum (24.1 ) ist einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1 ) begrenzt, und einer zwischen einer Außenwandung (39.1 ) des Verstellkolbens (21.1 ) und einer Innenwandung (38.1 ) der Zylinderbohrung (22.1 ) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1 ),
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1 ) mindestens zwei Kolbendichtungen (33.1 ) umfasst, wobei jede Kolbendichtung (33.1 ) in einer separaten an der Außenwandung (39.1 ) des Verstellkolbens (21.1 ) umlaufenden Kolbennut (34.1 ) angeordnet ist und mit der Innenwandung (38.1 ) der Zylinderbohrung (22.1 ) in Gleitkontakt steht.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1 ) mindestens drei, bevorzugt mindestens vier Kolbendichtungen (33.1 ) umfasst.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtungen (33.1 ) der Dichtungseinrichtung (23.1 ) als doppeltwirkende Kolbendichtungen (33.1 ) ausgebildet sind.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die doppeltwirkenden Kolbendichtungen (33.1 ) zweiteilig ausgebildet sind, wobei die zweiteiligen Kolbendichtungen (33.1 ) jeweils einen Positionierring und einen Gleitring, bevorzugt aus Kunststoff, aufweisen.
Längenverstellbare Pleuelstange (6.1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) einen Abstreifer (48.1) um- fasst, wobei der Abstreifer (48.1) an einem dem ersten Druckraum (24.1) zugewandten Ende der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) angeordnet ist.
6. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
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) einen ersten Druckraum (24.1) und einen zweiten Druckraum (25.1) zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und jeweils einseitig begrenzt.
7. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben (21.1) an einer zweiten Stirnseite (28.1), die den zweiten Druckraum (25.1) begrenzt, eine Kolbenstange (18a.1) aufweist, die sich durch eine Stangenbohrung (36.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) erstreckt, wobei mindestens zwei Stangendichtungen (47.1) vorgesehen sind, wobei jede Stangendichtung (47.1) in einer umlaufenden Nut (37.1) in der Stangenbohrung (36.1) angeordnet ist und mit der Kolbenstange (18a.1) in Gleitkontakt steht.
8. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstreifer (48.1) vorgesehen ist, wobei der Abstreifer (48.1) an einem dem zweiten Druckraum (25.1) zugewandten Ende der Stangenbohrung (36.1) angeordnet ist.
9. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
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.
10. Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mit einer Dichtungseinrichtung (23.1) 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 eine 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) und die zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1 ) mindestens zwei Kolbendichtungen (33.1 ) umfasst, wobei jede Kolbendichtung (33.1 ) in einer separaten an der Außenwandung (39.1 ) des Verstellkolbens (21.1 ) umlaufenden Kolbennut (34.1 ) angeordnet ist und mit der Innenwandung (38.1 ) der Zylinderbohrung (22.1 ) in Gleitkontakt steht.
1 1. 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 9.
12. Verbrennungsmotor (1 ) nach Anspruch 1 1 ,
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.
13. Verbrennungsmotor (1 ) nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck des Motoröls im ersten Druckraum (24.1 ) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1 ) zwischen 1.000 bar und 3.000 bar, bevorzugt zwischen 2.000 bar und 2.500 bar, beträgt.
14. Verbrennungsmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
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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