DE102012020999A1

DE102012020999A1 - Hydraulischer Freilauf für variable Triebwerksteile

Info

Publication number: DE102012020999A1
Application number: DE102012020999.1A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wittek
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: CN104797797A; US9677469B2; DE102012020999B4; WO2014019683A1; US20150260094A1; CN104797797B

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem hydraulischem Verstellmechanismus, der einem Pleuel zugeordnet ist und der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder in einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zum Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis in mindestens einem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine über eine Änderung einer effektiven Länge des Pleuels mittels des Verstellmechanismus umfasst, wobei der Verstellmechanismus einen ersten Hydraulikzylinder mit einem ersten Kolben in einer ersten Fluidkammer und einen zweiten Hydraulikzylinder mit einem zweiten Kolben in einer zweiten Fluidkammer umfasst, und die Hydraulikzylinder mit einem Fluid betrieben werden und eine Einstellung von mindestens dem einen variablen Verdichtungsverhältnis mittels einer Bewegung von mindestens dem ersten Kolben in dem ersten Hydraulikzylinder erfolgt, wobei die erste und die zweite Fluidkammer mit einer ersten Fluidleitung für ein direktes Hin- oder Herströmen des Fluids zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer während der Bewegung des ersten Kolbens im ersten Hydraulikzylinder verbunden sind, wobei die erste Fluidleitung im Pleuel angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Ändern der effektiven Länge eines Pleuels vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem hydraulischem Verstellmechanismus, der einem Pleuel zugeordnet ist und der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder in einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zum Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis einer Verbrennung in mindestens einem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine über eine Änderung einer effektiven Länge des Pleuels mittels des Verstellmechanismus umfasst.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene technische Wege bekannt, um ein variables Verdichtungsverhältnis. Unter Einsatz von variabel verstellbaren Triebwerkskomponenten werden insbesondere folgende Möglichkeiten beschrieben:
Pleuel mit variabler Länge,
Kolben mit variabler Kompressionshöhe, und
Kurbelwellen mit variablem Kurbelradius.
Alle diese technischen Mittel zielen unter anderem darauf ab, eine variable Verdichtung darzustellen.
Zur Variation der kinematisch wirksamen Längen des Triebwerkes Pleuellänge, Kompressionshöhe oder Kurbelradius sind sowohl teleskopartige Elemente als auch exzentrische Lagerungen bekannt. Zum Teil wird bei einigen Lösungen das Wirkprinzip „Nutzung der Triebwerkskräfte zur Verstellung” angewendet. Dabei werden die an der exzentrischen Lagerung oder an einem Teleskopelement wirkenden Kräfte zur Verstellung genutzt. Die Verstellung in eine gewünschte Position soll dabei einerseits möglichst schnell andererseits aber ohne Schädigung und nennenswerte Geräuschentwicklung ablaufen. In experimentellen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass eine Verstellung von einer zur anderen Endstellung beispielsweise eines Exzenters im kleinen Pleuelauge zwar innerhalb eines Arbeitsspieles darstellbar ist, es aber bei Erreichen eines mechanischen Endanschlages zu Schädigung der Bauteile kommt. In Konsequenz dessen, muss der Verstellvorgang abgebremst werden und erstreckt sich dadurch über mehrere Arbeitsspiele hinweg, was man als Mehrzyklusprinzip bezeichnen kann. Dies wiederum bedarf einer Vorrichtung die eine ungewollte Rückverstellung verhindert, also einen Freilauf wobei die Freilaufrichtung umschaltbar sein muss. Dieser umschaltbare Freilauf kann durch ein Hydrauliksystem realisiert werden. Den bekannten Systemen zur Darstellung eines solchen umschaltbaren hydraulischen Freilaufes ist gemeinsam, dass es zwei Stützkammern gibt, welche die Kräfte bzw. Momente abstützen können und die unerwünschte Rückverstellung verhindern. Diese Stützkammern können als Hubkolben oder als Drehkolben ausgestaltet werden. Aus der DE 10 2005 055 199 ist ein längenvariables Pleuel beschrieben zur Darstellung einer variablen Verdichtung, abgekürzt VCR. Die Umschaltung der Freilaufrichtung erfolgt dabei durch wechselseitiges Öffnen bzw. Verschließen zweier Stützzylinder, wobei zur Steuerung des austretenden Ölflusses ein 3/2-Wegeventil eingesetzt wird. Dieses wird in den nachfolgenden Figuren anhand der 1 näher erläutert, die das Hydraulikschaltschema zeigt, wie es bei der DE 10 2005 055 199 zum Einsatz kommt. Im Übrigen wird auf den Inhalt dieser Druckschrift verwiesen, um den grundsätzlichen Aufbau eines VCR-Mechanismus zu zeigen.
Ein derart ausgeführtes VCR-System weist folgende Nachteile auf:

a. Während der Verstellung besteht ein großer Ölvolumenstrombedarf zur Befüllung des gerade expandierenden Stützzylinders. Zur Bereitstellung des vergleichsweise großen Momentanvolumenstromes bedarf es ausreichend groß dimensionierter Versorgungsbohrungen im Hubzapfen der Kurbelwelle sowie Versorgungsnuten im Pleuellager. Besonders die Nuten im Pleuellager schwächen die Lagertragfähigkeit. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Verstellgeschwindigkeit stark limitiert werden muss, um den expandierenden Stützzylinder auch mit einem kleinen Versorgungsleitungssystem noch sicher versorgen zu können.
b. Vor dem Rückschlagventil herrscht der Versorgungsdruck des Pleuellagers. Während des Befüllens des expandierenden Stützzylinders ruft der durch das Rückschlagventil strömende Ölvolumenstrom einen Druckabfall über dem Rückschlagventil hervor. Der Maximalwert der Verstellgeschwindigkeit muss dabei soweit begrenzt werden, dass der Öldruck nach dem Rückschlagventil in dem Stützzylinder noch oberhalb des Dampfdruckes des Öls liegt, um Kavitation zu vermeiden. In ausgeführten Konstruktionen hat sich gezeigt, dass dieses Kavitationskriterium bereits früher wirksam wird als das Impulskriterium, also die mechanische Zerstörung infolge zu großer Auftreffgeschwindigkeit des Stützzylinders am mechanischen Endanschlag.
c. Hat das System seine Endstellung eingenommen, wird weiterhin ein Ölvolumenstrom aus dem Versorgungssystem entnommen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der in 1 dargestellte linke Stützkolben seine Endstellung unten erreicht hat. Dann strömt weiterhin Öl vom Versorgungssystem kommend durch das Rückschlagventil in den linken Stützzylinder und von dort aus über das 3/2-Wegeventil in den Kurbelraum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schnellere Umschaltung zu ermöglichen und dabei einen Einfluss auf den Ölhaushalt des Motors zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wie auch mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Unteransprüchen hervor. Die aus den einzelnen Unteransprüchen hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus den Haupt – wie auch aus den Unteransprüchen durch ein oder mehrere Merkmale aus der nachfolgenden Beschreibung präzisiert, oder auch ausgetauscht werden. Insbesondere sind die vorliegenden Ansprüche nur als ein erster Versuch aufzufassen, die Erfindung in Worte zu fassen, ohne aber damit die Erfindung beschränken zu wollen. Auch können ein oder mehrere Merkmale aus verschiedenen Ausgestaltungen zu weiteren Weiterbildungen verknüpft werden.
Es wird vorgeschlagen, eine interne Ölrückführung im Pleuel zwischen den Hydraulikzylinders des Verstellmechanismus vorzusehen. Bevorzugt wird über ein ansteuerbares Ventil bzw. eine Ventilschaltung in dieser internen Ölrückführung ein Überströmen von einem zum anderen Hydraulikzylinder ermöglicht.
Die oben genannten Nachteile können vermieden bzw. verringert werden, wenn das aus dem Ventil bzw. der Ventilschaltung, zum Beispiel einem 3/2-Wegeventil austretende Öl nicht in den Kurbelraum entlassen, sondern wieder dem Versorgungssystem zugeführt wird. In diesem Zusammenhang soll der Begriff der internen Ölübergabe hierfür eingeführt werden.
Vorgeschlagen wird eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem hydraulischem Verstellmechanismus, wobei dem hydraulischen Verstellmechanismus ein Pleuel zugeordnet ist und der hydraulische Verstellmechanismus zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder in einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zum Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis in mindestens einem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine über eine Änderung einer effektiven Länge des Pleuels mittels des Verstellmechanismus umfasst, wobei der Verstellmechanismus einen ersten Hydraulikzylinder mit einem ersten Kolben in einer ersten Fluidkammer und einen zweiten Hydraulikzylinder mit einem zweiten Kolben in einer zweiten Fluidkammer umfasst, und die Hydraulikzylinder mit einem Fluid betrieben werden und eine Einstellung von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis mittels einer Bewegung von mindestens dem ersten Kolben in dem ersten Hydraulikzylinder erfolgt, wobei die erste und die zweite Fluidkammer mit einer ersten Fluidleitung für ein direktes Hin- oder Herströmen des Fluids zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer während der Bewegung des ersten Kolbens im ersten Hydraulikzylinder verbunden sind, wobei die erste Fluidleitung im Pleuel angeordnet ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist die die erste Fluidleitung an einem Ende mit der ersten Fluidkammer und an einem anderen Ende mit der zweiten Fluidkammer verbunden ist.
Die erste Fluidleitung wird bevorzugt durch ein oder mehrere Bohrungen erzeugt, die ein Durchströmen des Fluids ermöglicht. Hierbei kann zumindest ein Abschnitt der ersten Fluidleitung auch kanalförmig gestaltet sein, wobei der Kanal entlang einer Trennebene eines Bauteils des Pleuels verläuft. So kann in einem ersten Halbteil des Bauteils eine erste Hälfte und in einem zweiten Halbteil eine zweite Hälfte des Kanals angeordnet sein, die zusammen aufeinanderliegend eine Bohrung bilden können. So kann dieses zum Beispiel in einem Bereich angrenzend zum Hublagerauge vorgesehen sein.
Bevorzugt ist ein Ventilsystem in der ersten Fluidleitung angeordnet, womit ein Fluidstrom in der ersten Fluidleitung unterbrochen wird. Das Ventilsystem kann beispielweise ein 3/2-, ein 3/3-, ein 4/2 oder auch ein 4/3-Wegeventil umfassen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielweise vor, dass ein Fluidversorgungssystem an die erste Fluidleitung angeschlossen ist, wodurch bei einer Bewegung des ersten Kolbens in dem ersten Hydraulikzylinder eine zusätzlich benötigte Menge des Fluids in die erste Fluidkammer nachströmt und eine überschüssige Menge des Fluids in der ersten Fluidkammer in dem ersten Hydraulikzylinder in das Fluidversorgungssystem hineinströmt und das Fluidversorgungssystem ein Fluidreservoir umfasst, in dem die überschüssige Menge des Fluids aufgefangen wird und aus dem die zusätzlich benötigte Menge des Fluids gespeist wird, wobei das Fluidversorgungssystem direkt an die erste Fluidleitung oder über eine zweite Fluidleitung an die erste Fluidleitung angeschlossen wird, welche eine Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung und dem Fluidversorgungssystem ist.
Das Fluidreservoir und insbesondere das Fluidversorgungssystem sind in dem Pleuel angeordnet.
Die erste Fluidleitung ist für ein Hin- oder Herströmen von Fluid zwischen den Hydraulikzylindern und ggf. zusätzlich Fluid aus dem Fluidversorgungssystem heranzuziehen. Die zweite Fluidleitung ist hingegen nur für Fluid aus dem Fluidversorgungssystem vorgesehen.
Des Weiteren wird eine Hubkolbenbrennkraftmachine vorgeschlagen, bei der der erste Kolben und der zweite Kolben unterschiedlich große Kolbenflächen und der erste und der zweite Hydraulikzylinder entsprechend unterschiedlich große Querschnitte aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Fluidleitung im Pleuel einen ersten hydraulischen Widerstand aufweist, durch den das Hin- oder Herströmen des Fluids gedrosselt wird. Beispielweise kann so eine Geschwindigkeit beim Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis begrenzt werden. Bevorzugt wird hierfür eine Blende eingesetzt. Dieses erlaubt, eine Verstellgeschwindigkeit beeinflussen zu können.
Beispielsweise ist ein Rückschlagventil in der ersten Fluidleitung angebracht ist, um das Hin- oder Herströmen des Fluids an einer Stelle in der ersten Fluidleitung, an der das Rückschlagventil angeordnet ist, auf eine Richtung zu beschränken. Dadurch kann die erste Fluidleitung mehrere Teilstränge aufweisen, die jeweils vom Ventil aus entweder zu dem einem oder dem anderen Hydraulikzylinder
Eine Charakteristik des hydraulischen Widerstandes lässt sich beispielweise wie folgt beschreiben: Eine Begrenzung der Exzenterverdrehgeschwindigkeit mittels eines hydraulischen Widerstandes hat gegenüber beispielsweise einer Reibungsbremse bereits den Vorteil einer geschwindigkeitsproportionalen Bremswirkung. Als Widerstand kann sowohl eine Drossel als auch eine Blende sowie eine Kombination aus Beidem eingesetzt werden. Die Verwendung einer Blende hat den Vorteil, dass der Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Druckdifferenz eine nur sehr geringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Damit ist auch der Einfluss der Öltemperatur auf die Verstellzeiten gering. In einem ausgeführten System wird das Durchflussverhalten der Strecke vom druckbelasteten Stützzylinder bis zum Kurbelraum bzw. bis zum expandierenden Stützzylinder zwischen den Verhalten einer reinen Drosselströmung und einer reinen Blendenströmung liegen. Eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit kann dadurch erreicht werden, dass alle Leitungen zum und vom Widerstand möglichst weit entdrosselt werden, d. h. entsprechend großen Leitungsquerschnitten dargestellt werden. Damit stellt ein als reine Blende ausgeführter Widerstand den mit Abstand dominierenden Widerstand dar.
Eine Darstellung des hydraulischen Widerstandes erfolgt bevorzugt wie folgt als:
gestufte Bohrung,
separater Einsatz gesteckt, eingepresst oder eingeschraubt, und/oder
in anderen Teilen integriert z. B. in Teilen des Wegeventils.
Bevorzugt ist, wenn der hydraulische Verstellmechanismus ein System zu einer definierten Positionserkennung des hydraulischen Verstellmechanismus beinhaltet. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob zum Beispiel ein Kolben in einer bestimmten Position sich befindet. Es besteht die Möglichkeit, zum Beispiel eine Verstellgeschwindigkeit zu überwachen, zum Beispiel über eine Überwachung des Weges oder der Geschwindigkeit eines der Kolben des Verstellmechanismus im Pleuel. Auch besteht die Möglichkeit, eine Drehung des Exzenters aufzunehmen und darüber auf eine Stellung eines Kolbens oder einer sonstigen Komponente des Verstellmechanismus zu schließen. Auch kann eine Detektierung eines Anschlags vorgesehen, wobei eine Position durch den Anschlag festgelegt ist. Bevorzugt wird hierzu eine Endstellung einer Komponente des Verstellmechanismus genutzt.
Eine Weiterbildung sieht zum Beispiel vor, dass der hydraulische Verstellmechanismus eine definierte Position hat. Hierunter ist zu verstehen, dass überprüfbar ist, dass sich der Verstellmechanismus in einer definierten Position befindet. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Fehlstellung ermittelt werden. Auch kann darüber beispielwiese eine sonstige Abweichung festgestellt werden, zum Beispiel durch Fehlschaltung wie beispielweise keine Schaltung, durch Verschleiß oder durch sonstige Einflüsse. So kann beispielweise eine Nacheinstellung bzw. Nachjustierung ermöglicht sein, sollte beispielweise eine Abweichung festgestellt werden. Die Abweichung kann bezogen auf einen Verstellmechanismus eines Pleuels detektiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Positionen, die Zustände und insbesondere die Abweichung von hydraulischen Verstellmechanismen verschiedener Pleuel miteinander zu vergleichen. Dieses erlaubt zum Beispiel, zu überwachen, dass alle Verstellmechanismen sich in der gleichen Position befinden. Fehlstellungen von ein oder mehreren Verstellmechanismen können sodann korrigiert werden. Eine Ausgestaltung sieht hierbei beispielweise vor, dass alle Verstellmechanismen aller Pleuel gleich gefahren werden. Das soll heißen, dass beispielsweise alle Pleuel in ihrer effektiven Länge gleich verstellt werden. Eine andere Ausgestaltung sieht beispielweise vor, dass verschiedene Pleuel unterschiedliche effektive Längen aufweisen. So kann beispielsweise bei Zylinderabschaltung nur die Betätigung der aktiven Zylinder erfolgen, während die nichtaktiven, abgeschalteten Zylinder ohne Änderung einer effektiven Länge der ihnen zugeordneten Pleuel weiterlaufen. Auch kann zur Sicherung der gleichen Stellung und damit der gleichen effektiven Länge für alle Pleuel eine Reset-Position vorgesehen sein. Wird eine Abweichung der Positionen festgestellt, kann eine Reset-Positionierung ausgelöst werden, bei der zumindest ein oder mehrere Verstellmechanismen in eine definierte Position fahren und von dort aus eine Verstellung wieder definiert vorhersehbar eingestellt werden kann.
Bevorzugt weist die Hubkolbenbrennkraftmaschine an jedem Pleuel ein Schaltsystem für den Verstellmechanismus, vorzugsweise in Form eines Ventilsystem angeordnet auf, welches sich im Bereich des Hublagerauges an einer äußeren Seite des Pleuels befindet, sodass das Schaltsystem zum Beispiel in Form des Ventilsystems von außen am Pleuel betätigt werden kann.
So kann je nach Art des Motoraufbaus und der damit verbundenen Anordnung der Zylinder das Schaltsystem an einer anderen Position angeordnet sein. Eine Position für Reihenmotoren, Boxermotoren, V-Motoren und damit einhergehend die Lage der Pleuel relativ zur Ölwanne führen dazu, den Verstellmechanismus unterschiedlich anzuordnen, insbesondere unter dem Aspekt einer Platzersparnis.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der auch unabhängig wie auch in Kombination mit der oben beschriebenen Hubkolbenmaschine ausführbar ist, wird ein Verfahren zum Verändern eines einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Betätigen eines hydraulischen Verstellmechanismus vorgeschlagen, wobei der Verstellmechanismus einem Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist, und das Pleuel an einem Ende ein Hublagerauge und an einem anderen Ende ein Pleuellagerauge umfasst, wobei sich im Hublager- oder Pleuellagerauge ein dort gelagerter Exzenter dreht, sofern sich ein erster Kolben in einem ersten Hydraulikzylinder und dazu gegensinnig ein zweiter Kolben in einem zweiten Hydraulikzylinder bewegen, wobei eine effektive Länge des Pleuels geändert wird, und im Pleuel die Verstellung des Exzenters bewirkende Bewegung des Kolbens über eine Fluidüberströmung durch eine erste Fluidleitung aus dem ersten Hydraulikzylinder direkt in den zweiten Hydraulikzylinder erfolgt.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Überströmen des Fluids von dem ersten Hydraulikzylinder in den zweiten Hydraulikzylinder über die erste Fluidleitung erfolgt, wobei dieses Überströmen mittels eines Ventilsystems unterbrochen wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Überschuss des Fluids in der ersten Fluidleitung in ein Fluidversorgungssystem strömt und ein zusätzlicher Bedarf des Fluids in der ersten Fluidleitung aus dem Fluidversorgungssystem gespeist wird.
Bevorzugt wird der Verstellmechanismus in eine definierte Position bewegt, beispielweise um dieses für eine Motorsteuerung als eine Ausgangsposition für eine Verstellung des VCR-Mechanismus zu nutzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die aus den Figuren hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelne Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren Ausgestaltungen untereinander wie aber auch mit Merkmalen aus der obigen allgemeinen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Daher dienen die folgenden Ausgestaltungen zur Veranschaulichung von verschiedenen Möglichkeiten und Aspekten der Erfindung, ohne aber diese auf diese Ausgestaltungen beschränken zu wollen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Freilaufs, wie er aus der DE 10 2005 055 199 vorbekannt ist;
2 ein Hydraulikschema mit 3/2-Wegeventil und interner Ölübergabe, die in einem Pleuel gemäß der Erfindung vorgesehen sind,
3 einen hydraulischen Freilauf mit 3/3-Wegeventil mit interner Ölübergabe,
4 einen hydraulischen Freilauf mit 4/2-Wegeventil mit interner Ölübergabe,
5 einen hydraulischen Freilauf mit 4/3-Wegeventil mit interner Ölübergabe,
6, 7 verschiedene Systeme mit 3/3 bzw. 3/2-Wegeventil ohne interne Ölübergabe,
8, 9 verschiedene Systeme mit 3/3 bzw. 3/2-Wegeventil mit interner Ölübergabe,
10 verschiedene Systeme mit 4/3 bzw. 4/2-Wegeventil,
11 bis 14 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Systems mit 3/2-Wegeventil-Funktion und interner Ölübergabe,
15 bis 17 eine Verstellung einer Pleuellänge,
18 ein Ausgestaltungsbeispiel mit unterschiedlichen Abmaßen von Stützkolben und/oder Stützstange
19 und 20 weitere Einzelheiten einer Adaption an eine bestimmte Drehrichtung wie auch an den Aufbau eines Exzenters,
21 bis 28 beispielhaft einen Aufbau eines Pleuels mit verschiedenen Komponenten,
29 einen hydraulischen Freilauf mit 4/2-Wegeventil mit teilweiser interner Ölübergabe für eine Verstellung hin zu einer niedrigen Verdichtung,
30 einen hydraulischen Freilauf mit 4/2-Wegeventil mit teilweiser interner Ölübergabe für eine Verstellung hin zu einer hohen Verdichtung,
31 eine Ausgestaltung eines Systems mit einem 3/2-Wegeventil ohne interne Ölübergabe,
32 eine Schnittdarstellung des in 31 dargestellten Systems,
33 Details der in 31 und 32 dargestellten Blende,
34 ein Ausführungsbeispiel mit 3/2-Wegeventil und interner Ölübergabe in einer Vorder- und Seitenansicht,
35 eine Schnittansicht des in 34 dargestellten Beispiels,
36 bis 40 eine hydraulische Verschaltung in einem Hydraulikmodul mit verschiedenen Details,
41 bis 45 ein Ausführungsbeispiel eines Pleuelauges in verschiedenen Ansichten,
46 bis 50 verschiedene Möglichkeiten, Öl von einer Kurbelwelle in ein Pleuel zu fördern,
48 bis 50 verschiedene Ölversorgungssysteme Hubzapfen zu Pleuel,
51 die Anordnung eines Akkumulators,
52 bis 54 verschiedene Akkumulatorvarianten,
55 ein Pleuel in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,
56 ein Hydraulikschema eines Verstellmechanismus und
57 ein Pleuel mit Verstellmechanismus.
1 zeigt einen hydraulischen Freilauf mit 3/2-Wegeventil, wie er aus der DE 10 2005 055 199 bekannt ist. In der dargestellten Schaltstellung 1 kann der linke Stützkolben 2 eintauchen. Das aus diesem Zylinder verdrängte Öl gelangt über das Ventil 3 in den Kurbelraum 4. Der sich vergrößernde Stützzylinder 5 saugt frisches Öl aus der Versorgungsnut 6 über das Rückschlagventil 7 ein. Bei dieser Anordnung gibt es die Zustände:

a) Exzenter kann sich im Uhrzeigersinn drehen
b) Exzenter kann sich im Gegenuhrzeigersinn drehen

Dadurch gibt es zwei stabile Verdichtungsstufen, so dass man von einem 2-stufigen VCR-System sprechen kann. Das VCR-System kann jedoch im Betrieb mit Problemen versehen sein, wie sie oben näher ausgeführt sind.
2 zeigt ein Hydraulikschema 8 mit 3/2-Wegeventil 9 und interner Ölübergabe 10. Die verdrängte Ölmenge wird zur Befüllung des expandierenden Stützzylinders 11 genutzt. Je nach Durchmesserverhältnis der Stützzylinder und der Hebelübersetzungen wird entweder mehr Öl verdrängt als zur Befüllung des expandierenden Zylinders benötigt wird oder anders herum. Überschüssiges Öl gelangt durch den Schmierspalt des Pleuellagers in den Kurbelraum. Zusätzlich benötigtes Öl wird durch die Versorgungsnut 12 gefördert. Der Vorteil dieser internen Ölübergabe 10 besteht darin, dass der Ölhaushalt des Motors geringer belastet wird. Die Versorgungsnut 12 kann in diesem Falle kleiner dimensioniert werden. Der Nachteil dieser internen Ölübergabe ist, dass eventuell einmalig angesaugte Luft länger im VCR-Pleuel verbleibt und beim Umschalten vom einen zum anderen Stützzylinder geschoben wird, anstatt durch frisches Öl ersetzt zu werden. Dem kann jedoch durch geeignete Entlüftung entgegengewirkt werden. Auch bei dieser Anordnung gibt es zwei stabile Verdichtungsstufen.
3 zeigt einen hydraulischen Freilauf 13 mit 3/3-Wegeventil 14 mit interner Ölübergabe 10. Durch Substitution des 3/2-Wegeventils durch ein 3/3-Wegeventil 14 kann ein weiterer Zustand dargestellt werden, nämlich der Zustand „Exzenter ist blockiert”. Auf diese Weise können auch Zwischenstellungen gehalten werden. In 3 ist eine solche Anordnung mit interner Ölübergabe dargestellt.
Die hier vorgeschlagene interne Ölübergabe kann die Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit bei gegebener Förderkapazität des Versorgungssystems signifikant verringern, also eine signifikant höhere Verstellgeschwindigkeit ermöglichen. Hier kann es sinnvoll sein, die Verstellgeschwindigkeiten in die jeweiligen Richtungen unterschiedlich stark zu begrenzen. Beispielweise mittels eines hydraulischen Widerstands, zum Beispiel einer Blende. Bei Ottomotoren ist es wünschenswert eine möglichst kurze Umschaltdauer von hohe auf niedrige Verdichtung zu erreichen, um bei einem Lastwechsel hin zu hoher Last eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. In die andere Richtung kann die Verstellung hingegen wesentlich langsamer erfolgen. Diesen Umstand kann man nutzen, indem die Stützzylinder und deren kinematische Kopplung so ausgelegt werden, dass während einer Verstellung von hohe auf niedrige Verdichtung ein Ölüberschuss entsteht. In diesem Fall wird nur beim Übergang auf hohe Verdichtung Öl aus dem Versorgungssystem entnommen, was sich zudem noch über einen vergleichsweise großen Zeitraum erstrecken kann. Die Förderkapazität des Versorgungssystems kann damit klein dimensioniert werden mit der Konsequenz, dass nur wenig tragende Lagerfläche geopfert werden muss. Als ein weiterer positiver Effekt sei hier erwähnt, dass der in das Versorgungssystem zurückgeführte Ölvolumenstrom auch kurzzeitig einen Druckanstieg vor dem Rückschlagventil herbeiführt, was der Kavitation im expandierenden Stützzylinder entgegenwirkt.
4 zeigt eine Anordnung mit einem 4/2-Wegeventil 15. Hierbei muss auf Kavitation gar keine Rücksicht mehr genommen werden. Es lassen sich damit grundsätzlich noch höhere Verstellgeschwindigkeiten erzielen. Das verdrängte Öl wird dabei auf direktem Wege in den jeweils expandierenden Zylinder 16 geschoben. Voraussetzung für eine derartige Verschaltung ist, dass der verdrängte Volumenstrom zu jedem Zeitpunkt auch dem nachgesaugten Volumenstrom entsprechen muss. Dies ist beim hier betrachteten VCR-Pleuel nicht ohne weiteres möglich. Bei Systemen mit Drehkolben jedoch kann diese Forderung sehr wohl erfüllt werden. Zum Ausgleich von Leckage sind beide Stützzylinder jeweils mit einem Rückschlagventil 17 noch zusätzlich an das Versorgungssystem angeschlossen. Das Versorgungssystem muss damit nur noch Leckage ausgleichen und kann entsprechend klein dimensioniert werden.
5 zeigt einen hydraulischen Freilauf mit 4/3-Wegeventil 18. Durch Einsatz eines 4/3-Wegeventils anstelle eines 4/2-Wegeventils kann auch eine Blockierung des Exzenters realisiert werden, wie in 5 gezeigt.
Im Folgenden wird insbesondere auch auf verschiedene Geometrien abgestellt, die sich als Anordnungen eines hydraulischen Widerstandes beschreiben lassen. Dieses wird im Folgenden anhand 6 und 7 grundsätzlich erläutert, bevor spezielle vorteilhafte weitere Ausgestaltungen anhand 8 und 9 näher erläutert werden.
Eine Begrenzung der Exzenterverdrehgeschwindigkeit kann dadurch erreicht werden, dass dem verdrängten Öl ein Widerstand entgegen gesetzt wird. In 6 und 7 sind zwei mögliche Anordnungen solcher Widerstände 31, 32, 33 jeweils ohne interne Ölübergabe bei Verwendung eines 3/2 bzw. 3/3-Wegeventils 19, 20 dargestellt. Bei der einen Anordnung wird in jeder Ausflussleitung ein Widerstand eingebracht, wobei in der anderen Anordnung ein gemeinsamer Widerstand verwendet wird. Bei Einsatz zweier Widerstände können die Verstellrichtungen getrennt in ihrer Geschwindigkeit begrenzt werden.
Bei Anordnungen von Systemen mit 3/3 bzw. 3/2-Wegeventil 34, 35 mit interner Ölübergabe können ebenfalls zwei Widerstände 36, 37 oder nur ein Widerstand 38 eingesetzt werden, wie in 8 und 9 dargestellt.
10 zeigt wiederum Systeme mit 4/3- bzw. 4/2-Wegeventil 39. Bei Verwendung eines 4/3- bzw. 4/2-Wegeventils 39 sind zwei Widerstände 23, 24 erforderlich, die wie in Bild 10 positioniert werden können. Die Rückschlagventile 21, 22 wiederum ermöglichen, dass eine direkte, interne Ölzuführung von einem zum anderen Zylinder erfolgt. Wie dargestellt, können die Zylinder unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Das Rückschlagventil 21 und/oder der Widerstand 23 kann auch rechts vom Wegeventil angeordnet werden. In analoger Weise kann auch Rückschlagventil 22 und/oder Widerstand 24 links vom Wegeventil angeordnet werden. Des Weiteren dienen die Rückschlagventile 25, 26 dazu nachströmendes Öl zu leiten.
In 11 bis 14 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit 3/2-Wegeventil und interner Ölübergabe dargestellt. Die 3/2-Wegeventilfunktion wird über zwei 2/2-Wegeventile 40, 41, 42 realisiert, welche wechselseitig geöffnet bzw. geschlossen werden. In jeder Ausflussleitung, hier dargestellt ist die Ausflussleitung 44 vom Stützzylinder kommend, befindet sich ein Widerstand. Die Sitzventile werden über ein Abgriffselement geöffnet bzw. geschlossen, wobei an den Sitzventilen die Rückschlagventile 43, 45 angeordnet sind. In 14 ist die Lage der Versorgungsnut 45 dargestellt.
15 bis 17 zeigen wiederum die Verstellung der effektiven Pleuellänge l_eff, die sich aus der Geometrie von der Länge l und der Exzentrizität e ergibt, und der Änderung des Verdichtungsverhältnisses, welches sich aus l₀ und l_eff ergibt, sowie eine beispielhafte Ausgestaltung einer Exzentriziät e. Wie schematisch angedeutet, kann durch einen Sensor S beispielweise eine Stellung φ des Exzenters überwacht werden. Dadurch ist feststellbar, welche Verdichtung vorliegt. Auch kann der Endanschlag, ε-max bzw. ε-min, genutzt werden, um eine Detektierung der Position der Verstelleinrichtung zu ermöglichen. Die so aufgenommenen Signale können dann von dem Sensor S einer Motorsteuerung CPU zugeführt werden, die hier nur schematisch angedeutet ist. Auch zeigen diese 15 bis 17 exemplarisch, wie das Pleuel 49 mit dem Kobenbolzen 46 im Exzenter 47 agiert, die im Pleuelauge angeordnet sind, wobei ein Endanschlag 48 die Exzentrische Verstellung begrenzt.
18 zeigt ein Ausgestaltungsbeispiel, bei dem auch die unterschiedlichen Abmaße von Stützkolben 50, 51 und/oder Stützstange 52, 53 hervorgehen sowie Stützzylinder 56, 57 mit unterschiedlich großen Grundflächen. Auch wird eine unterschiedliche Hebelarmlänge 54, 55 am Abstützhebel 58 ermöglicht. Dadurch kann das System an die Hauptdrehrichtung des Motors angepasst werden, indem beispielsweise unterschiedlich zu verdrängende Ölmengen und oder Verstellgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Diese Unterschiedlichkeit wird bewusst angestrebt, wie nachfolgend noch anhand von 31 erläutert wird.
19 und 20 zeigen weitere Einzelheiten der Adaption an eine bestimmte Drehrichtung wie auch an den Aufbau des Exzenters bzw. der Ölzuführung über die Lagerringe 59, die zum Beispiel geteilt für den Exzenter vorliegen können. Beispielwiese kann in einem Mittenbereich die Ölzuführung liegen, während nur in einem Außenbereich die Lagerringe 59 jeweils am Exzenter 60 seitlich angeordnet sind. Der Exzenter ist hierbei in einen Hebel 61 integriert, welcher über Gelenke 62 und über den massenkraftseitigen Stützzylinder 63 und den gaskraftseitigen Stützzylinder 64 bewegt wird.
21 bis 28 zeigen beispielhaft den Aufbau eines Pleuels mit verschiedenen Komponenten, die ein Umschalten des hydraulischen Verstellmechanismus durch ein Schaltsystem an einem Außenrandbereich des Pleuels von außen ermöglicht.
29 und 30 zeigen eine weitere Anordnung, wobei eine interne Ölübergabe nur in einer Schaltrichtung erfolgt. Vorzugsweise wird das Öl beim Umschalten auf niedrige Verdichtung, gemäß 29, dem Zulaufsystem wieder zugeführt. Diese Umschaltrichtung soll besonders schnell ablaufen, um ein Klopfen zu vermeiden. Bei der Verstellung hin zu niedriger Verdichtung, 29; ist es besonders vorteilhaft, den Ölstrom mit einem Widerstand stark zu drosseln, da eine hohe Kraft wirkt. Bei Verstellung in die andere Richtung, d. h. hin zu hoher Verdichtung gemäß 30, kann das verdrängte Öl hingegen über eine Öffnung beispielsweise in den Kurbelraum 65 ausströmen oder aber in eine Sammelleitung. Die Verstellung hin zu hoher Verdichtung kann langsamer ablaufend ausgelegt werden, da nicht der Klopfgefahr Sorge getragen werden muss. Des Weiteren wirkt eine geringere Kraft. Bei der Verstellung hin zu hoher Verdichtung kann eine Ölregenerierung vorgesehen sein. Die verdrängte Ölmenge, die beispielsweise in den Kurbelraum oder eine Sammelleitung ausströmt, wird dabei durch eine andere Ölmenge ersetzt. Ein Ölaustausch ist beispielsweise bei Blasenbildung besonders günstig. Dann wird schaumiges Öl durch frisches Öl ersetzt. Weiterhin besteht der Vorteil, dass der Druck in der Stützkammer des rechten Stützzylinders in 30 geringer ist als im Falle einer Anordnung mit vollständiger interner Ölübergabe, siehe Stützzylinder 11 in 2. Die Verstellung hin zu hoher Verdichtung ist mit der Anordnung aus 30 schneller möglich als mit der Anordnung aus 2. Bei niedrigen Drehzahlen und wenn nur geringe Trägheitskräfte am Kolben im Ladungswechsel am oberen Totpunkt wirksam sind wirkt sich dies besonders vorteilhaft aus.
In 31 ist eine mögliche Ausgestaltung eines Systems mit 3/2-Wegeventil ohne interne Ölübergabe dargestellt. Dieses Anschauungsbeispiel dient zur Verdeutlichung, wie ein System ohne interne Ölübergabe funktioniert. Der massenkraftseitige Stützzylinder 66 und der gaskraftseitige Stützzylinder 67 weisen bewusst unterschiedliche Durchmesser auf. Der linke Zylinder stützt das durch die Gaskraft hervorgerufene Exzentermoment ab. Er wird als gaskraftseitiger Stützzylinder 67 bezeichnet. Der rechte Zylinder stützt das Exzentermoment ab. Dies entsteht infolge der während der Gaswechselphase wirkenden Massenkraft. Daher wird der rechte Zylinder als massenkraftseitiger Stützzylinder 66 bezeichnet. Die maximale Gaskraft ist üblicherweise größer als die maximale Massenkraft. Durch diese Durchmesserunterschiede wird nun erreicht, dass die entstehenden Maximaldrücke in den Stützzylindern möglichst gleich groß sind. Der Exzenter 68 wird durch den Hebel 69 verstellt, welcher über die Stützzylinder verstellt wird.
32 zeigt eine Schnittansicht des selben Ausgestaltungsbeispiels wie in 31. Der Exzenter 76 ist in Lagerringen 70, vorzugsweise aus einem Bronzematerial, im Pleuelauge mit dem Hebel 77 gelagert. Stirnseitig sind die Lagerringe 70 zum Beispiel mit einer verschleißfesten Anlaufscheibe 71 versehen, da hier eine Obenführung im Kolben vorgesehen ist. Die Obenführung hat hierbei den Vorteil, dass die Abgriffsfläche 72 möglichst genau zum Kurbelgehäuse und damit zur mechanischen Aktuierung steht. Der Ventilkörper 73 ist parallel zu den Zapfen ausgerichtet und befindet sich unterhalb des kleinen Pleuelauges. Stirnseitig ist dieser Ventilkörper beispielsweise mit kuppenartigen Abgriffsflächen 72 versehen. Zur Umschaltung des Ventils werden diese Kuppen mit einer Kurvenscheibe in Wirkzusammenhang gebracht. Der Ventilkörper kann zwei definierte Stellungen einnehmen. Zwischen diesen Stellungen besteht ein Verfahrweg von hier etwa 4 mm. Der Ventilkörper 73 wird durch eine Einrastung 74, welche eine Kugel, einer Feder und eine entsprechenden Konturierung des Ventilkörpers aufweist, in seine Endstellung gedrückt. Der Verfahrweg des Ventilkörpers 73 wird durch einen Begrenzer 75 limitiert. Das Ventil ist hier als Schiebeventil ausgeführt. Der Ventilkörper weist Steuerkanten auf, die jeweils eine der beiden Zulaufbohrungen öffnet beziehungsweise verschließt und somit den Ölfluss durch die Zulaufleitung vom Massenkraftzylinder 130 oder die Zulaufleitung vom Gaskraftzylinder 131 ermöglicht, wobei hinter dem Ventil eine Blende 132 angeordnet ist. Der Exzenter 76 wird über den Hebel 77 verstellt.
33 zeigt einen Ausschnitt aus 32. Aus der jeweils geöffneten Zulaufbohrung strömt austretendes Öl 133. Dies erfolgt während des Verstellens durch eine im Begrenzer integrierte Blende. Das durch die Blende strömende Öl 78 wie auch die Schmierölbohrung zum Kolbenbolzenlager 79 dafür sind dargestellt. Zwischen einer oberen Stirnfläche des Begrenzers und dem Hebel bildet sich ein Spalt aus, durch welchen das Öl schließlich beispielsweise in den Kurbelraum abströmen kann. Ein Teil des Öls strömt hingegen durch eine Schmierölbohrung zum Kolbenbolzenlager 79.
34 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem 3/2-Wegeventil und einer internen Ölübergabe. Bei dieser fertigungstechnisch vereinfachten Ausgestaltung befindet sich das Ventil 80 in einem separaten Hydraulikmodul 81, welches über die Pleuelverschraubung mit dem Pleuellagerdeckel verbunden ist. Durch diese Bauweise kann das Bohrungssystem im Pleuel deutlich vereinfacht werden. Ein weiteres beispielhaftes Merkmal des gezeigten Ausführungsbeispiels ist die direkte Lagerung des Exzenters 82 im kleinen Pleuelauge ohne Lagerringe. Der Exzenter 82 wird bei der Montage von einer Seite axial eingeschoben. Die beiden Exzenterlager sind dazu mit unterschiedlichen Durchmessern versehen. Zur Axialsicherung dient ein im Exzenter 82 radial angeordnetes Sicherungsstück 83, welches von der inneren Seite eingesteckt wird und den Exzenter sichert. Das Pleuel ist untengeführt am Kurbelzapfen, um hier eine möglichst exakte Ausrichtung zur Aktuierung zu erreichen. Der Exzenter 82 ist vorzugsweise mit einer „diamond-like carbon”-Beschichtung versehen. Zur Gewichtserleichterung sind im Exzenter beispielhaft Bohrungen axial eingebracht. Zudem ist der Bereich um das kleine Pleuelauge beispielhaft trapezförmig ausgestaltet.
In 35 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 34 im Schnitt dargestellt. Die Verbindungsleitungen 84 zwischen dem massenkraftseitigen Stützzylinder 86, dem gaskraftseitigen Stützzylinder 87 und dem separaten Hydraulikmodul 81 nutzen zur Ölübergabe über die Trennfläche zwischen Pleuelober- und Unterteil den Ringspalt um die Pleuelschrauben. Eine besonders bevorzugte Variante ist mit Sacklöchern für die Pleuelverschraubung ausgestattet. Die Ausgleichsleitung 90 verbindet die Ölversorgungsnut 85 im Pleuellager mit dem Hydraulikmodul. Bei einer Verstellung hin nach niedriger Verdichtung strömt überschüssiges Öl in die Ölversorgungsnut im Pleuellager. In der anderen Verstellrichtung wird zusätzlich benötigtes Öl angesaugt. Die Rückschlagventile 91 befinden sich im Pleueloberteil und können durch das Hydraulikmodul axial gesichert werden. Zur Axialsicherung dient ein im Exzenter 89 radial angeordnetes Sicherungsstück 83, welches von der inneren Seite eingesteckt wird und außen von einem Kragen 88 am Herausgleiten gehindert wird.
36 bis 40 zeigen die hydraulische Verschaltung im Hydraulikmodul. Die Verbindungsleitungen 93 und die Ausgleichsleitung 94 werden durch Nuten im Hydraulikmodul 95 dargestellt. Die Blenden 92 werden durch abgesetzte Bohrungen dargestellt. Insbesondere aus den 38 und 39 geht die am Ventilkörper 96 angebrachte Rastierung 97 und der Begrenzer 98 hervor.
41 bis 45 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Pleuelauges, welches beispielsweise bei Nutzfahrzeugen eingesetzt wird. Das Ausführungsbeispiel weist ein 3/2-Wegeventil und eine interne Ölübergabe auf. Die 3/2-Wegeventilfunktion wird gemäß dieses Beispiels über zwei 2/2-Wegeventile 99, die als Sitzventil ausgeführt sind, realisiert. Diese werden wechselseitig mittels eines Stößels 100 geöffnet bzw. geschlossen. Dieses ist in 42, in 43 und in 44 im Schnitt dargestellt. An die 2/2-Wegeventile schließt sich ein Rückschlagventil an. Aus der 42 geht die Verbindungleitung 104 zu den Stützzylindern hervor. Diese führt über die Pleuelverschraubung, welche eine Hülse aufweist, die mittels O-Ringen abgedichtet ist. In 43 sind die Versorgungsnut 105 und die Ausgleichsleitung 106 dargestellt. Die 2/2-Wegeventile 99 weisen ein Kugelventil auf, welches zur Darstellung der „Offenstellung” durch einen Stößel 100 aufgedrückt wird. An das 2/2-Wegeventile 99 schließt sich eine Blende 107 an. Durch den Begrenzer 108 und die Rastierung 109 wird die Position des Abgriffelements 101 gesichert. Durch eine Feder wird der Stößel 100 radial gegen eine auf das Abgriffselement 101 aufgearbeitete Öffnungsrampe 102 gedrückt. Diese Feder ist so zu bemessen, dass ein Öffnen durch Fliehkraft verhindert wird. In jeder Ausflussleitung befindet sich ein separater Widerstand, wodurch beispielsweise der Ölstrom verschieden gedrosselt werden kann. 45 zeigt die seitliche Ansicht des dargestellten Beispiels.
46 bis 50 zeigen verschiedene Möglichkeiten, Öl von der Kurbelwelle ins Pleuel zu befördern, mit einer Ölversorgungsnut und einem Fluidversorgungssysten. Hierbei kann das Fluidversorgungssystem ein Akkumulator sein, des Weiteren kann es ein Fluidreservoir umfassen. In den 46 bis 50 sind jeweils eine obere Lagerschale 122 und eine untere Lagerschale 123 mit verschiedenen Ausgestaltungen einer Versorgungsnut 110, einer Versorgungsbohrung 111 und eines Übergabefensters 112 für den Ölfluss dargestellt. Der Ölfluss ist in den 46 bis 50 jeweils beispielhaft durch Pfeile eingezeichnet.
Die Exzenterverdrehung ergibt sich als Folge des am Exzenter entstehenden Momentes. Dieses Moment wiederum ist die Folge einer Überlagerung von Gas- und Massenkraft am Kolbenbolzen. Dieses Moment ist nicht zeitlich konstant sondern folgt einem bestimmten zeitlichen Verlauf bzw. einem Verlauf als Funktion des Kurbelwinkels. Der Verlauf ist periodisch und wiederholt sich alle zwei Motorumdrehungen. Es wird bei entsprechend asymmetrischer Stützzylinderdurchmesserauslegung Öl benötigt, wenn eine Verstellung nach hohe Verdichtung erfolgt, also wenn der gaskraftseitige Stützkolben austaucht. Während dieser Phase muss sichergestellt werden, dass Öl vom Pleuellager ins Pleuel hineinströmt, ohne aber Luft über den Lagerspalt ungewollt anzusaugen.
In 46 ist eine um 360° umlaufende Versorgungsnut 110 im Pleuellager und nur eine Austrittsstelle einer Versorgungsbohrung 111 auf der Hubzapfenoberfläche dargestellt. Hierbei wird die Versorgungsnut 110 zu jedem Zeitpunkt mit frischem Öl versorgt und es kann ein konstanter Ölstrom durch das Übergabefenster 112 sichergestellt werden. Zu jedem Zeitpunkt kann hier ein Ölbedarf im Pleuel gedeckt werden.
In 47 ist eine 180° Versorgungsnut dargestellt, vorzugsweise in der unteren Lagerschale sowie eine durch die Hubzapfenmitte hindurchgehende Bohrung. Hierbei kann ebenfalls zu jedem Zeitpunkt ein Ölbedarf im Pleuel gedeckt werden. Die 180° Versorgungsnut kann auf dem Umfang beliebig verdreht werden. Hier wird eine Winkelausrichtung vorzugsweise so gewählt, dass die Nut in einem möglichst gering belasteten Bereich liegt.
In 49 sind zwei 90° Nuten dargestellt, die vorzugsweise symmetrisch zur Trennfläche ausgerichtet sind, sowie zwei Versorgungsbohrungen, wobei die eine Bohrung der anderen Bohrung um 90° vorauseilt. Hierbei kann ebenfalls zu jedem Zeitpunkt ein Ölbedarf im Pleuel gedeckt werden. Die beiden Nuten können auf dem Umfang beliebig verdreht werden, solange der Abstand zwischen den Nuten gleich der Länge einer Einzelnut ist. Hier wird vorzugsweise eine Winkelausrichtung gewählt, die ebenfalls in einem möglichst gering belasteten Bereich liegt.
Bei den in 46, 47 und 49 dargestellten Varianten wird zu jedem beliebigen Kurbelwinkel eine Verbindung zwischen Versorgungsbohrung im Hubzapfen und Übergabefenster in der Pleuellagerschale geschaffen. Hier entsteht zusätzlicher Fertigungsaufwand, da die Pleuellager mit Nuten anstelle von nur einer Bohrung zu versehen sind. In Folge dieser Maßnahmen ergeben sich möglicherweise Tragfähigkeitsprobleme im Pleuellager.
Die Variante aus 48 enthält nur eine Nut und eine Versorgungsbohrung. Hierbei kann nur über einen bestimmten Kurbelwinkelbereich ein Ölbedarf im Pleuel gedeckt werden. Bei gegebener Lage des Austritts der Versorgungsbohrung an der Hubzapfenoberfläche und bekanntem Kurbelwinkelbereich, bei dem Ölbedarf besteht, kann eine minimal erforderliche winkelmäßige Ausdehnung der Nut im Pleuellager konstruiert werden. Das Problem dabei ist aber, dass sich die Phase, während welcher Ölbedarf besteht, mit dem Betriebspunkt des Motors ändert, also nicht konstant ist.
Bei der Variante aus 50 wird nur ein Übergabefenster bzw. eine sehr kurze Nut in der Nähe dieses Fensters vorgesehen. Dadurch ergibt sich nur eine sehr geringfügige Schwächung des Pleuellagers, insbesondere dann, wenn das Übergabefenster in den am geringsten belasteten Bereich gelegt wird. Es wird nur während eines relativ kleinen Kurbelwinkelbereiches eine Verbindung zum Pleuel geschaffen. Dieser Kurbelwinkelbereich ist im Normalfall geringer als der Kurbelwinkelbereich, während dessen Ölbedarf im Pleuel besteht.
Bei den Varianten aus 48 und 50 liegt also eine intermittierende Versorgung des Pleuels vor.
51 zeigt ein Hydraulikschema 125, welches um ein Fluidversorgungssystem 124 ergänzt wird. In diesem Beispiel umfasst das Fluidversorgungssystem 124 ein Fluidreservoir 113, welches beispielhaft als Akkumulator ausgeführt ist. Durch diese Anordnung des Fluidreservoirs 113 wird eine kontinuierliche Versorgung des Hydrauliksystems mit Öl sichergestellt. Fluidreservoir 113 befindet sich zwischen dem Übergabefenster im Pleuellager und dem Hydrauliksystem. Der hier beispielhaft dargestellte Akkumukator wird wegen der Trägheitsmomente vorzugsweise parallel zur Kurbelwellenachse angeordnet. Bei dem in 51 skizzierten Fall taucht der gaskraftseitige Stützkolben grade aus, so dass ein Ölbedarf vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Austritt der Versorgungsbohrung im Hubzapfen aber noch nicht über dem Übergabefenster. Der Ölbedarf wird durch den Akkumulator gedeckt, indem die Feder 114 des Akkumulators einen Kolben 115 verschiebt, der ein Ölvolumen entsprechend verdrängt. Wenn die Versorgungsbohrung über dem Übergabefenster steht, wird der Akkumulator wieder aufgefüllt. Vorzugsweise wird die Achse des Akkumulatorkolbens parallel zur Kurbelwellenachse ausgerichtet, damit die am Akkumulatorkolben angreifenden Trägheitskräfte senkrecht zur Kolbenachse stehen und damit nicht die Federkraft beeinflussen. Der am Pleuelauge anliegende Öldruck beträgt bevorzugt zwischen 3 bis 8 bar. Der Akkumulator sorgt dafür, dass kein Druckabfall auftritt, da ansonsten Öl aus dem Schmierspalt austritt und zur Bauteilschädigung oder sogar zum Ansaugen von Luft führt.
Der Akkumulator kann zum Beispiel wie in 52 dargestellt als Federspeicher, mit Feder 116 und Kolben 117, und/oder wie in 53 als Blasenspeicher, d. h. mit Membran 118 und Gasfüllung 119, ausgeführt werden. Ein weiterer Ansatz gemäß 54 sind gasgefüllte Kugeln 120, die mittels eines öldurchlässigen Siebes 121 vom Ölraum getrennt werden.
55 zeigt beispielhaft ein Pleuel 203, welches in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 201 mit einem Zylinder 224 und einen Kolben 254 angeordnet ist. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 201, der Kolben 254 und der Zylinder 224 sind hier nur schematisch dargestellt. Eine effektive Länge des Pleuels l_eff wird durch Betätigung des Verstellmechanismus 202 verändert. Diese Änderung der effektiven Länge l_eff des Pleuels bewirkt eine Änderung des Hubs des Kolbens 254 und somit eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.
56 zeigt ein Hydraulikschema 250, welches einen ersten Hydraulikzylinder 208 mit einem ersten Kolben 209 und einer ersten Fluidkammer 210 aufweist. Die erste Fluidkammer 210 ist mit einem Fluid 214 gefüllt Wenn der erste Hydraulikzylinder sich gemäß der Bewegungsrichtung 251 verkleinert und Fluid 214 verdrängt, strömt ein Fluidstrom 217 durch die erste Fluidleitung 215 in eine zweite Fluidkammer 213 eines zweiten Hydraulikzylinders 211 mit einem zweiten Kolben 212. Dadurch vergrößert sich der zweite Hydraulikzylinder 211 gemäß der Bewegungsrichtung 252. Die erste Fluidleitung 215 kann mit einem Ventilsystem 216 unterbrochen werden. Das Ventilsystem hat hier beispielhaft die Funktion eines 3/2-Wegeventils. Des Weiteren begrenzt ein Rückschlagventil 220 die Richtung des Fluidstroms 217 in der ersten Fluidleitung 215 auf eine Richtung und ein erster Widerstand 219, der beispielsweise in der ersten Fluidleitung 215 angeordnet ist, begrenzt die Geschwindigkeit mit der der erste Hydraulikzylinder 208 sich verkleinert. Das Hydraulikschema 250 umfasst des Weiteren ein Fluidversorgungssystem 226 mit Fluidreservoir 227. Überschüssiges Fluid kann aufgefangen und beispielsweise im Fluidreservoir 227 gespeichert und aus dem Fluidreservoir 227 dem Fluidstrom 217 wieder zugeführt werden. Hierbei kann das Fluidversorgungssystem 226 beispielsweise direkt an die erste Fluidleitung 215 angeschlossen sein, oder das Fluidversorgungssystem 226 kann beispielsweise über eine zweite Fluidleitung 218 mit der ersten Fluidleitung 215 verbunden sein. Dabei ist es beispielsweise auch möglich, dass die zweite Fluidleitung 218 die erste Fluidleitung 215 nutzt. Mit diesem Hydraulikschema 250 kann ein Fluid 214 von einem ersten Hydraulikzylinder 208 entweder direkt in einen zweiten Hydraulikzylinder 211 überströmen und/oder ein überschüssige bzw. zusätzlich benötigtes Fluid kann durch das Fluidversorgungssystem 226 ausgeglichen werden.
57 zeigt ein Pleuel 203 im Schnitt mit einem Verstellmechanismus 202, wobei der Verstellmechanismus 202 beispielsweise auch eine Hydraulikschaltung gemäß dem Hydraulikschema 250 aus der 56 umfassen kann. Das Pleuel weist ein Pleuellagerauge 204 mit einem Exzenter 206 auf. Des Weiteren ist hier am Pleuellagerauge beispielhaft ein mögliches System für eine definierte Positionserkennung 221 skizziert, mit dem zum Beispiel eine definierte Position 222 des Verstellmechanismus angefahren und/oder erkannt werden kann. Die Fluidleitung 225 verläuft in diesem Beispiel innerhalb des Pleuels 203. in diesem Beispiel nutzt die Fluidleitung die Pleuelverschraubungen und verbindet die Hydraulikzylinder des Verstellmechanismus. Ein möglicher Fluidstrom ist hier beispielhaft mit Pfeilen eingezeichnet. Er kann durch ein Ventilsystem 253 unterbrochen werden. Ein Ventilsystem 253 ist in diesem Beispiel an der äußeren Seite 223 des Pleuels im Bereich des Hublagers 205 angeordnet.
Die vorgeschlagenen Merkmale sowie das vorgeschlagene Verfahren können gemäß einer Weiterbildung, die auch als ein eigenständiger Gedanke weiterverfolgt werden kann, bei anderen Anwendungen wie beispielhaft einem Kolben oder einer Kurbelwelle zur Anwendung kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005055199 [0004, 0004, 0030, 0059]

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) mit einem hydraulischem Verstellmechanismus (202), der einem Pleuel (203) zugeordnet ist und der zumindest einen in einem Pleuellagerauge (204) oder in einem Hublagerauge (205) eines Pleuels angeordneten Exzenter (206) zum Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis in mindestens einem Zylinder (224) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) über eine Änderung einer effektiven Länge l_eff des Pleuels (203) mittels des Verstellmechanismus (202) umfasst, wobei der Verstellmechanismus (202) einen ersten Hydraulikzylinder (208) mit einem ersten Kolben (209) in einer ersten Fluidkammer (210) und einen zweiten Hydraulikzylinder (211) mit einem zweiten Kolben (212) in einer zweiten Fluidkammer (213) umfasst, und die Hydraulikzylinder mit einem Fluid (214) betrieben werden und eine Einstellung von mindestens dem einen variablen Verdichtungsverhältnis mittels einer Bewegung von mindestens dem ersten Kolben (209) in dem ersten Hydraulikzylinder (208) erfolgt, wobei die erste und die zweite Fluidkammer mit einer ersten Fluidleitung (215) für ein direktes Hin- oder Herströmen des Fluids (214) zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer während der Bewegung des ersten Kolbens (209) im ersten Hydraulikzylinder (208) verbunden sind, wobei die erste Fluidleitung (215) im Pleuel (203) angeordnet ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilsystem (216; 253) in der ersten Fluidleitung (215) angeordnet ist, womit ein Fluidstrom (217) in der ersten Fluidleitung (215) unterbrochen wird.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidversorgungssystem (124; 226) an die erste Fluidleitung (215) angeschlossen ist, wodurch bei einer Bewegung des ersten Kolbens (209) in dem ersten Hydraulikzylinder (208) eine zusätzlich benötigte Menge des Fluids (214) in die erste Fluidkammer (210) nachströmt und eine überschüssige Menge des Fluids (214) in der ersten Fluidkammer (210) in dem ersten Hydraulikzylinder (208) in das Fluidversorgungssystem (124; 226) hinein strömt und das Fluidversorgungssystem (124; 226) ein Fluidreservoir (113; 227) umfasst, in dem die überschüssige Menge des Fluids (214) aufgefangen wird und aus dem die zusätzlich benötigte Menge des Fluids (214) gespeist wird, wobei das Fluidversorgungssystem (124; 226) direkt an die erste Fluidleitung (215) oder über eine zweite Fluidleitung (218) an die erste Fluidleitung (215) angeschlossen wird, welche eine Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung (215) und dem Fluidversorgungssystem (124; 226) ist.
Hubkolbenbrennkraftmachine (201) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (209) und der zweite Kolben (212) unterschiedlich große Kolbenflächen und der erste Hydraulikzylinder (208) und der zweite Hydraulikzylinder (211) entsprechend unterschiedlich große Querschnitte aufweisen.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluidleitung (215) einen ersten Widerstand (219) aufweist, durch den das Hin- oder Herströmen des Fluids (214) gedrosselt wird und so eine Geschwindigkeit zum Einstellen von mindestens einem variablen Verdichtungsverhältnis begrenzt wird.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (220) in der ersten Fluidleitung (215) angebracht ist, um das Hin- oder Herströmen des Fluids (214) an einer Stelle in der ersten Fluidleitung (215), an der das Rückschlagventil (220) angeordnet ist, auf eine Richtung zu beschränken.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Verstellmechanismus (202) ein System zu einer definierten Positionserkennung (221) des hydraulischen Verstellmechanismus (202) beinhaltet.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Verstellmechanismus (202) eine definierte Position (222) hat.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Pleuel (203) ein Ventilsystem (216; 253) angeordnet ist, welches sich im Bereich des Hublagerauges an einer äußeren Seite (223) des Pleuels befindet, sodass das Ventilsystem (216; 253) von außen am Pleuel (203) betätigt werden kann.
Verfahren zum Verändern eines einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder (224) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) durch Betätigen eines hydraulischen Verstellmechanismus (202), der einem Pleuel (203) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (201) zugeordnet ist, und das Pleuel (203) an einem Ende ein Hublagerauge (205) und an einem anderen Ende ein Pleuellagerauge (204) umfasst, wobei sich im Hublager- (205) oder Pleuellagerauge (204) ein dort gelagerter Exzenter (206) dreht, sofern sich ein erster Kolben (209) in einem ersten Hydraulikzylinder (208) und dazu gegensinnig ein zweiter Kolben (212) in einem zweiten Hydraulikzylinder (211) bewegen, wobei eine effektive Länge l_eff des Pleuels (203) geändert wird, und im Pleuel (203) die Verstellung des Exzenters (206) bewirkende Bewegung des Kolbens über eine Fluidüberströmung durch eine erste Fluidleitung (215) aus dem ersten Hydraulikzylinder (208) direkt in den zweiten Hydraulikzylinder (211) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überströmen des Fluids (214) von dem ersten Hydraulikzylinder (208) in den zweiten Hydraulikzylinder (211) über eine Fluidleitung (225) erfolgt, wobei dieses Überströmen mittels eines Ventilsystems (216; 253) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschuss des Fluids (214) in der ersten Fluidleitung (215) in ein Fluidversorgungssystem (124; 226) strömt und ein zusätzlicher Bedarf des Fluids (214) in der ersten Fluidleitung (215) aus dem Fluidversorgungssystem (124; 226) gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (202) in eine definierte Position (222) bewegt wird.