-
Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Eine solche Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise der
EP 1 205 652 B1 als bekannt zu entnehmen. Die Kurbelwelle weist wenigstens einen Wellenzapfen auf, über welchen die Kurbelwelle an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar zu lagern ist. Ferner weist die Kurbelwelle wenigstens einen Hubzapfen auf, an welchem wenigstens ein Pleuel der Hubkolbenmaschine drehbar zu lagern ist. Der Hubzapfen ist exzentrisch zu dem Wellenzapfen und somit zu der Drehachse angeordnet, so dass der Hubzapfen eine Kurbel der Kurbelwelle darstellt. Wird die Kurbelwelle um ihre Drehachse gedreht, so bewegt sich die Kurbel insbesondere auf und ab, woraus auch eine entsprechende Auf- und Abwärtsbewegung des Pleuels sowie eines beispielsweise gelenkig mit dem Pleuel verbundenen Kolbens der Hubkolbenmaschine resultiert.
-
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, Verstellmechanismen einzusetzen, mittels welchen der Hubraum beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine variiert werden können. Ein solcher Verstellmechanismus wird auch als VCR-System bezeichnet (VCR – Variable Compression Ratio – variables Verdichtungsverhältnis). Durch den Einsatz eines solchen Verstellmechanismus ist eine Variabilität geschaffen, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise der Hubraum variiert werden kann, um dadurch beispielsweise die Hubkolbenmaschine, welche insbesondere als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann, an unterschiedliche Betriebszustände bedarfsgerecht anpassen zu können. Insbesondere ist es mittels eines solchen Verstellmechanismus möglich, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von dem Kennfeld beziehungsweise über dem Kennfeld der Hubkolbenmaschine zu ändern.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kurbelwelle der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise der Hubraum der Hubkolbenmaschine auf besonders einfache Weise variiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Um eine Kurbelwelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiter zu entwickeln, dass das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise der Hubraum der Hubkolbenmaschine auf besonders einfache Weise variiert, das heißt verändert beziehungsweise eingestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hubzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle relativ zu dem Wellenzapfen bewegbar, insbesondere verschiebbar, ist. Durch Bewegen des Hubzapfens in radialer Richtung der Kurbelwelle relativ zu dem Wellenzapfen kann der in radialer Richtung der Kurbelwelle verlaufende Abstand zwischen dem Hubzapfen und dem Wellenzapfen verändert beziehungsweise eingestellt werden, wodurch auch der in radialer Richtung verlaufende Abstand zwischen dem Hubzapfen und der Drehachse der Kurbelwelle verändert beziehungsweise variiert werden kann.
-
Somit kann durch Bewegen des Hubzapfens in radialer Richtung der Kurbelwelle relativ zu dem Wellenzapfen der Kurbelwellenhub der Kurbelwelle variiert werden. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß eine reine Variation des Kurbelwellenhubs vorgesehen, welcher grundlegend als der doppelte Radius des ein Kurbelwellenlager darstellenden Wellenzapfens zu dem ein Pleuellager darstellenden Hubzapfen definiert ist. Ändert sich dieser Radius, so ändern sich auch der Kurbelwellenhub und somit der Hubraum beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine. Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass immer mehr Variabilitäten Einzug in moderne Verbrennungsmotoren halten. Eine solche Variabilität ermöglicht den Zugewinn wenigstens eines Freiheitsgrades, wobei durch den Zugewinn an solchen Freiheitsgraden die Erschließung neuer Verbrauchs- und Schadstoffpotentiale möglich ist. Dies bedeutet, dass durch den Einsatz von Variabilitäten der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß einer Hubkolbenmaschine reduziert werden kann. Nicht selten jedoch geht eine hohe Variabilität jedoch auch mit einer hohen Komplexität und damit mit zusätzlichen Verbrauchern einher. Dies bedeutet im Rahmen der Entwicklung einer Hubkolbenmaschine, dass Potentiale mit sehr viel Aufwand und Raffinesse ausgewiesen werden müssen.
-
Einen Ansatz, um den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß einer beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine besonders gering zu halten, stellt die Variation des Verdichtungsverhältnisses beziehungsweise des Hubraums der Hubkolbenmaschine dar. Durch die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise den Hubraum zu variieren, ist es möglich, die Hubkolbenmaschine bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte anzupassen. Dem gegenüber steht jedoch die extreme Belastung, die zyklisch auf die Kurbelwelle beziehungsweise auf einen Verstellmechanismus zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses einwirkt. So bedeutet beispielsweise das Einbringen von zusätzlichen Systemen zum variieren des Verdichtungsverhältnisses, dass solche Systeme Kräfte im Kilonewtonbereich aushalten müssen. Eine weitere Problematik stellt der weitestgehend limitierte Bauraum dar. So benötigen zusätzliche Komponenten nicht zuletzt auch ein separates Volumen.
-
Dabei sind aus dem allgemeinen Stand der Technik sogenannte Multilink-Triebwerke bekannt, bei welchen an dem Hubzapfen ein Querhebel drehbar gelagert ist, welcher sich zumindest im Wesentlichen quer zur Drehachse und somit zur axialen Richtung der Kurbelwelle erstreckt. Über diesen Querhebel ist das Pleuel an dem Hubzapfen gelagert. Wird der Querhebel relativ zu dem Hubzapfen gedreht, so werden das Pleuel und ein gelenkig mit dem Pleuel verbundener und in einem Zylinder der Hubkolbenmaschine aufgenommener Kolben verschoben, wodurch das Verdichtungsverhältnis verändert beziehungsweise variiert wird. Zum Verdrehen des Querhebels relativ zu dem Hubzapfen kommt üblicherweise eine Stellwelle zum Einsatz, welche als Exzenterwelle ausgebildet sein kann. Ein solches Multilink-Triebwerk weist somit eine hohe Teileanzahl, einen hohen Bauraumbedarf und insgesamt eine hohe Komplexität auf.
-
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können durch die erfindungsgemäße Kurbelwelle vermieden werden, da diese eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses auf besonders einfache Weise, das heißt mit einer nur geringen Teileanzahl ermöglicht.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Längsschnittansicht einer Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Wellenzapfen, und mit wenigstens einem Hubzapfen, welche in radialer Richtung der Kurbelwelle relativ zu dem Wellenzapfen bewegbar ist;
-
2 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht der Kurbelwelle;
-
3 ausschnittsweise eine weitere schematisch und teilweise geschnittene Seitenansicht der Kurbelwelle;
-
4 ausschnittsweise eine weitere schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht der Kurbelwelle;
-
5 ausschnittsweise eine weitere schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht der Kurbelwelle; und
-
6 jeweils ausschnittsweise zwei schematische Seitenansichten der Kurbelwelle.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine. Die Hubkolbenmaschine ist beispielsweise als Verbrennungsmotor, das heißt als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, wobei die Hubkolbenmaschine eine Komponente eines Kraftfahrzeugs ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet und mittels der Hubkolbenmaschine antreibbar. In ihrem vollständig hergestellten Zustand umfasst die Hubkolbenmaschine ein in den Figuren nicht dargestelltes Kurbelgehäuse, an welchem die Kurbelwelle 10 – wie im Folgenden noch genauer erläutert wird – drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 10 umfasst hierzu eine Mehrzahl von in axialer Richtung der Kurbelwelle 10 hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordneten Wellenzapfen 12, welche jeweilige Kurbelwellenlager darstellen. Im vollständig hergestellten Zustand der Hubkolbenmaschine ist die Kurbelwelle 10 über die Wellenzapfen 12 an dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse 14 relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert, so dass die Wellenzapfen 12 die Drehachse 14 definieren. Insbesondere ist der jeweilige Wellenzapfen 12 bezüglich der Drehachse zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet.
-
Die Kurbelwelle 10 umfasst ferner eine Mehrzahl von Hubzapfen 16 und 18, welche ebenfalls in axialer Richtung der Kurbelwelle 10 aufeinanderfolgend angeordnet sind. An den jeweiligen Hubzapfen 16 beziehungsweise 18 ist im vollständig hergestellten Zustand der Hubkolbenmaschine wenigstens ein Pleuel drehbar gelagert, so dass der jeweilige Hubzapfen 16 beziehungsweise 18 ein Pleuellager für das jeweilige Pleuel darstellt.
-
Die Hubkolbenmaschine weist außerdem eine Mehrzahl von Brennräumen auf, welche als Zylinder ausgebildet sind. In dem jeweiligen Zylinder ist ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen, wobei das jeweilige, zuvor genannte Pleuel jeweils gelenkig mit einem der Kolben gekoppelt ist. Hierdurch sind die Kolben über die Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle 10 gekoppelt, so dass die translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 10 um die Drehachse 14 umgewandelt werden.
-
Um einen besonders effizienten und insbesondere kraftstoffverbrauchs- und schadstoffarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine zu realisieren, weist diese ein variables Verdichtungsverhältnis auf. Mit anderen Worten kann der Hubraum beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine variiert und somit eingestellt werden, so dass das Verdichtungsverhältnis bedarfsgerecht an jeweilige Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine angepasst werden kann.
-
Um nun den Hubraum beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine auf besonders einfache Weise, das heißt mit einer nur geringen Teileanzahl und bauraumgünstig variieren zu können ist – wie in den Figuren am Beispiel des Hubzapfens 16 veranschaulicht ist – der Hubzapfen 16 in radialer Richtung der Kurbelwelle 10 relativ zu den Wellenzapfen 12 und somit relativ zur Drehachse 14 bewegbar, insbesondere verschiebbar. Die vorigen und folgenden Ausführungen zum Hubzapfen 16 können ohne weiteres auch auf die anderen Hubzapfen 18 übertragen werden.
-
Besonders gut aus 2 und 3 ist erkennbar, dass der Hubzapfen 16 relativ zu den sich in axialer Richtung beidseitig an den Hubzapfen 16 anschließenden Wellenzapfen 12 in radialer Richtung der Kurbelwelle 10 verschiebbar ist, wodurch der Hub der Kurbelwelle 10 veränderbar ist. Der Hub der Kurbelwelle 10 wird auch als Kurbelwellenhub bezeichnet.
-
Aus 2 und 3 ist ferner erkennbar, dass der Hubzapfen 16 beispielsweise zumindest zwischen zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen relativ zu den Wellenzapfen 12 in radialer Richtung der Kurbelwelle 10 verschiebbar ist, wobei 2 eine erste der Stellungen und 3 eine zweite der Stellungen zeigt. Der Hubzapfen 16 ist beispielsweise durch ein erstes Wellenteil 20 der Kurbelwelle 10 gebildet, wobei die Wellenzapfen 12 durch jeweilige, zweite Wellenteile 22 gebildet sind. Dabei ist der Hubzapfen 16 beziehungsweise das Wellenteil 20 bewegbar mit den Wellenteilen 22 verbunden, so dass der Hubzapfen 16 und somit das Wellenteil 22 in radialer Richtung der Kurbelwelle 10 relativ zu den Wellenteilen 22 translatorisch bewegt werden können.
-
Zum bewegbaren Verbinden des Hubzapfens 16 mit den Wellenzapfen 12 sind beispielsweise jeweilige Bolzen 24 vorgesehen, welche beispielsweise in radialer Richtung verschiebbar an den Wellenteilen 22 gehalten sind. Hierzu durchdringen die Bolzen 24 beispielsweise jeweilige Durchgangsöffnungen 26 der Wellenteile 22. Ferner sind die Bolzen 24 mit dem Wellenteil 20 verbunden, indem die Bolzen 24 beispielsweise in das Wellenteil 20 eingeschraubt sind. Dadurch sind die Bolzen 24 mit dem Wellenteil 20 und somit mit dem Hubzapfen 16 relativ zu den Wellenteilen 22 und somit relativ zu den Wellenzapfen 12 in radialer Richtung der Kurbelwelle 10 mitbewegbar. Ferner sind Federelemente 28 vorgesehen, welche einerseits an den jeweiligen Bolzen 24 und andererseits an den jeweiligen Wellenteilen 22 abgestützt sind. Mittels der Federelemente 28 ist der Hubzapfen 16 aus der in 3 gezeigten zweiten Stellung in die in 2 gezeigte erste Stellung bewegbar und beispielsweise in der ersten Stellung zu halten.
-
Aus 3 ist erkennbar, dass die Federelemente 28 in der zweiten Stellung gegenüber der ersten Stellung gespannt sind und somit eine Federkraft bereitstellen, welche über die Bolzen 24 auf das Wellenteil 20 beziehungsweise auf den Hubzapfen 16 wirkt. Mittels dieser Federkraft kann der Hubzapfen 16 aus der zweiten Stellung zurück in die erste Stellung bewegt werden.
-
6 zeigt auf der linken Seite die Kurbelwelle 10, wobei sich der Hubzapfen 16 in der ersten Stellung befindet. Ferner zeigt 6 auf der rechten Seite die Kurbelwelle 10, wobei sich der Hubzapfen 16 in seiner zweiten Stellung befindet. In der ersten Stellung weist der Hub der Kurbelwelle 10 einen ersten Wert auf, wobei in der zweiten Stellung der Hub der Kurbelwelle 10 einen gegenüber den ersten Wert unterschiedlichen, zweiten Wert aufweist. Die Differenz zwischen den beiden Werten ist in 6 mit ΔHub bezeichnet. Ferner ist in 6 das an dem Hubzapfen 16 drehbar gelagerte Pleuel mit 32 bezeichnet.
-
Beispielsweise begrenzen die Wellenteile 20 und 22 jeweils teilweise zumindest eine besonders gut aus den 4 und 5 erkennbare Kammer 30, in welche beispielsweise ein Medium zum Bewirken einer Bewegung des Hubzapfens 16 aus der ersten Stellung in die zweite Stellung einbringbar ist. Bei diesem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, so dass bei dem in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine hydraulische Bewegung des Hubzapfens 16 vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass bei dem in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Hubzapfen 16 hydraulisch relativ zu den Wellenzapfen 12 bewegbar ist.
-
Um den Hubzapfen 16 aus der ersten Stellung in die zweite Stellung zu bewegen, wird das genannte Medium in die Kammer 30 eingeleitet, wodurch der Hubzapfen 16 in radialer Richtung nach außen von der Drehachse 14 wegbewegt wird. Um den Hubzapfen 16 beispielsweise wieder aus der zweiten Stellung in die erste Stellung zu bewegen, wird das Medium aus der Kammer 30 abgeführt, woraufhin der Hubzapfen 16 mittels der Federelemente 28 aus der zweiten Stellung zurück in die erste Stellung bewegt werden kann. Im Rahmen dieser Bewegung bewegt sich der Hubzapfen 16 in radialer Richtung wieder zurück in Richtung der Drehachse 14. Mit anderen Worten ist bei dem in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine hydraulische Aktuierung des Hubzapfens 16 vorgesehen. Dabei kann beispielsweise auf bereits vorhandenes Drucköl als das genannte Medium zurückgegriffen werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, eine zusätzliche Quelle zu nutzen, welche das Medium zum Bewegen des Hubzapfens 16 bereitstellt. Ferner ist eine magnetische, eine elektromotorische und/oder eine andere, beispielsweise interne oder externe, Aktuierung des Hubzapfens 16 denkbar. Beispielsweise ist eine stufenlose oder aber auch eine zwei- oder demgegenüber mehrstufige Bewegbarkeit des Hubzapfens 16 relativ zu dem Wellenzapfen 12 denkbar, so dass das Verdichtungsverhältnis beziehungsweise der Hubraum beispielsweise stufenlos oder gestuft, insbesondere zwei- oder mehrstufig, eingestellt werden kann.
-
Die Kammer 30 kann beispielsweise über die Kurbelwellenlager und/oder die Pleuellager mit dem Medium versorgt werden. 4 veranschaulicht die Versorgung der Kammer 30 mit dem Medium sequentiell über ein einzelnes Pleuellager. Demgegenüber veranschaulicht 5 die Versorgung der Kammer 30 mit dem Medium parallel über Folgelager der Kurbelwelle 10.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kurbelwelle
- 12
- Wellenzapfen
- 14
- Drehachse
- 16
- Hubzapfen
- 18
- Hubzapfen
- 20
- Wellenteil
- 22
- Wellenteil
- 24
- Bolzen
- 26
- Durchgangsöffnung
- 28
- Federelement
- 30
- Kammer
- 32
- Pleuel
- AHub
- Differenz
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-