DE10309650A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit folgenden Merkmalen: DOLLAR A - ein Kolben in einem Zylinder steht über ein Pleuel (6) und dessen großes Pleuelauge mit dem Hubzapfen (3) einer Kurbelwelle (1) in Verbindung, DOLLAR A - zwischen Hubzapfen und großem Pleuelauge ist ein Exzenter (5) drehbar angeordnet, um dadurch einen Hub des Kolbens zu verändern, DOLLAR A - die Drehung des Exzenters ist über eine Schwinge (7) einstellbar und DOLLAR A - die Schwinge ist beweglich im Gehäuse gelagert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Aus der Patentschrift DE 197 03 948 C1 ist eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Hubkolben mittels eines Pleuels mit dem Hubzapfen einer Kurbelwelle in beweglicher Verbindung steht und bei der ein zwischen Hubzapfen und großem Pleuelauge drehbar angeordneter Exzenter durch eine Hubveränderung ein änderbares Verdichtungsverhältnis ermöglicht. Der Exzenter wird mittels der Triebwerkskräfte in Extremstellungen bewegt, die eine Hubveränderung bewirken. Eine Arretierung des Exzenters in den Stellungen für großen bzw. kleinen Hub findet in der genannten Patentschrift dadurch statt, dass der Exzenter einen seitlichen Flansch aufweist, der mit mindestens zwei Ausnehmungen versehen ist. In jeweils eine dieser beiden Ausnehmungen greift ein Verriegelelement ein, um den Exzenter in seiner Lage drehfest zu halten. Zum Verstellen wird das Verriegelelement aus der Ausnehmung durch einen Hebel bewegt, der am großen Pleuelauge dem kleinen Pleuelauge gegenüber befestigt ist und durch eine kurbelgehäusefeste Schaltkulisse bewegbar ist. Das Einfahren des Hebels in die Schaltkulisse ist mit Geräusch und Verschleiß verbundne. Während des Verstellvorganges befindet sich der Exzenter in einem labilen Gleichgewichtszustand, der von den drehzahlabhängigen Triebwerkskräften und aktuellen Reibbedingungen zwischen Exzenter und Hubzapfen bzw. Pleuelauge abhängt.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber eine Hubverstellung einer Hubkolbenmaschine mittels eines Exzenters auf dem Hubzapfen einer Kurbelwelle bereitzustellen, die einfach und betriebssicher bei beliebigen Drehzahlen und Reibbedingungen im Triebwerk funktioniert.
• Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine mit Kurbelwelle, Pleuel und Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen einem Hubzapfen der Kurbelwelle und einem großen Auge des Pleuels ein Exzenter drehbar angeordnet ist um den Hub des Kolbens zu verändern und die Drehung des Exzenters über eine Schwinge einstellbar ist. Die Schwinge ist als Hebel ausgebildet, der mit dem Exzenter verbunden ist und bei einer Blickrichtung in Richtung der Kurbelwelle seitlich wegragt und in Kurbelwellenlängsrichtung zwischen dem Pleuel und einem Hubzapfen der Kurbelwelle angeordnet ist. Durch Schwenken des Hebels und damit durch Schwenken des damit verbundenen Exzenters lässt sich auf diese Weise der Hub des Kurbeltriebes verstellen. Der Schwenkwinkel der Schwinge bestimmt auf diese Weise über den Schwenkwinkel des Exzenters die Hubveränderung der Kurbelwelle. Es sind beliebige Schwenkwinkel und damit beliebige Hubveränderungen einstellbar. Wenn die Schwinge mit dem Exzenter fest verbunden ist, sind die Schwenkwinkel der Schwinge und des Exzenters gleich groß. Es ist aber auch möglich auf dem Hubzapfen zwischen der Schwinge und dem Exzenter ein Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, vorzusehen, um damit zwischen dem Schwenkwinkel der Schwinge und dem Schwenkwinkel des Exzenters eine Übersetzung zu erreichen.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schwinge einerseits mit dem Exzenter fest verbunden und andererseits in einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine beweglich gelagert. Wenn die Schwinge mit dem Exzenter fest verbunden ist, führt sie eine von der Kreisbewegung des Hubzapfens angeregte Bewegung aus, d.h. sie muss im das Triebwerk umgebende Gehäuse beweglich gelagert sein. Des weiteren ist diese Lagerung der Schwinge im Gehäuse ihrerseits beweglich gelagert um damit eine Verstellung des Exzenters zu erzielen. Die Bewegung der Schwinge wird somit einerseits durch die Drehung der Kurbelwelle und andererseits durch die Verstellung der Lagerung im Gehäuse angeregt. Die Verstellung der Lagerung im Gehäuse erfolgt betriebspunktabhängig, um damit den Hub, bzw. die Verdichtung der Hubkolbenmaschine betriebspunktabhängig einstellen zu können.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der gehäuseseitige Lagerpunkt der Schwinge ungefähr quer zur Zylinderrichtung in einer Verstellvorrichtung bewegbar. D.h. die Schwinge wird in einer Verstellvorrichtung gelagert und geführt. Bei feststehender Verstellvorrichtung führt die Schwinge in der Verstellvorrichtung eine oszillierende Bewegung ähnlich einem Kolben einer Hubkolbenmaschine aus. Bei einer seitlichen Anordnung der Verstellvorrichtung, ragt die Schwinge seitwärts vom Kurbeltrieb der Hubkolbenmaschine ab und die Schwinge für ihre oszillierende Bewegung ungefähr quer zur Zylinderrichtung aus. Beim Verstellen der Verstellvorrichtung ändert sich die Richtung der oszillierenden Bewegung.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Verstellvorrichtung selbst ungefähr in Zylinderrichtung verschiebbar. Eine Verstellung des Hubes bzw. der Verdichtung der Hubkolbenmaschine ist erreichbar über ein Bewegen der Verstellvorrichtung relativ zur Kurbelwelle. Das größte Verschwenken der Schwinge wird erzielt durch ein Bewegen der Verstellvorrichtung ungefähr in Zylinderrichtung. Diese Bewegung kann auf einer Geraden ungefähr parallel zur Zylinderrichtung oder auf einem Kreisbogenabschnitt erfolgen, dessen Hauptausschlag ungefähr in Zylinderrichtung liegt, d.h. der Mittelpunkt des Kreisbogenabschnittes liegt ungefähr auf der Höhe der Kurbel welle. Dadurch wird ein großer Schwenkwinkel der Schwinge bei einer kleiner Bewegung der Verstellvorrichtung erreicht.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Verstellvorrichtung als Kreuzkopf oder Schiebehülse ausgebildet. Bei einer Verstellvorrichtung, die als Kreuzkopf, Schiebehülse oder ein in der Funktion ähnlich wirkendes Bauteil ausgebildet ist, ist eine einfache, aber exakte Führung der Schwinge gewährleistet. Weiterhin kann eine derartige Führung auf einfache weise verschiebbar gestaltet werden, um damit ein Schwenken der Schwinge um den Hubzapfen zu erreichen.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Verstellvorrichtung mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch antreibbar. Auf diese Weise ist ein ausreichend schnelles und sicheres Verstellen des Hubes bzw. der Verdichtung über ein Schwenken der Schwinge möglich.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Hubverstellung mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch von einem Steuergerät betriebspunktabhängig regelbar. Mittels einer Regelung, die abhängig von z.B. der Drehzahl, der Last, der Temperatur und/oder weiterer Betriebsparameter der Hubkolbenmaschine, ist es möglich den Hub und damit die Verdichtung der Hubkolbenmaschine für jeden Betriebspunkt so einzustellen, dass sich ein Optimum ergibt, was den Verbrauch, die Abgase, die Leistung oder sonstiger Kriterien einer Brennkraftmaschine betrifft. Die Regelung kann z.B. rein mechanisch drehzahlabhängig oder pneumatisch und mechanisch abhängig vom Saugrohrunterdruck oder Abgasdruck erfolgen. Es ist weiterhin möglich, dass ein Steuergerät eine Vielzahl von Betriebsparametern der Hubkolbenmaschine erfasst und auswertet, und dass mittels eines Signals des Steuergerätes die Verstelleirrichtung betätigt wird. Ein Verstellen erfolgt z.B. auf Grund eines elektrischen Signals und wird pneumatischer oder hydraulischer Stellelemente, wie z.B. Kolben, in eine Bewegung der Verstellvorrichtung umgewandelt.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipskizze einer Hubverstellung einer Hubkolbenmaschine mittels einer Schwinge.
• In der einzigen Figur ist eine Kurbelwelle 1 einer nicht näher gezeigten Hubkolbenmaschine mit einem Grundlager 2, einem Hubzapfen 3 und einer Kurbelwange 4 gezeigt. Um den Hubzapfen 3 ist ein Exzenter 5 angeordnet, der seinerseits vom Pleuel 6 umschlossen ist. Der Exzenter 5 ist mit einer Schwinge 7 fest verbunden und durch Bewegen der Schwinge dreht sich der Exzenter um den Hubzapfen 3 und verändert auf diese Weise den Hub und damit die Verdichtung der Hubkolbenmaschine. Die Schwinge 7 ist weiterhin in einer Verstellvorrichtung 8 verschiebbar gelagert, um der Bewegung des Hubzapfens 3, bzw. des Exzenters 5 folgen zu können bzw. nicht zu behindern. Die Schwinge 7 führt am Hubzapfen 3, bzw. Exzenter 5 eine rotatorische und in der Verstellvorrichtung 8 eine translatorische Bewegung aus, ähnlich einem Pleuel eines Kurbeltriebes. Die Schwinge 7 kann ganz unterschiedlich ausgebildet sein, ihre Funktion besteht ausschließlich darin, vom ruhenden Maschinengehäuse aus eine Drehbewegung des Exzenters 5 um den Hubzapfen 3 zu erzeugen. Die Verstellvorrichtung 8 ist z.B. als schwenkbarer Kreuzkopf oder Schiebehülse ausgebildet, in der sich die Schwinge 7 möglichst reibungsarm oszillierend bewegen kann. Die Verstellvorrichtung 8 ihrerseits ist in einer Führung 9 verschiebbar gelagert, um durch ein Verschieben der Verstellvorrichtung die Schwinge 7 und den daran befestigten Exzenter 5 um den Hubzapfen 3 zu drehen und damit den Hub der Hubkolbenmaschine zu verstellen. Eine Verschiebung der Verstellvorrichtung 8 in der Führung 9 wird durch ein nicht gezeigtes Steuergerät abhängig von Betriebsparametern der Hub kolbenmaschine veranlasst und erfolgt zum Beispiel dadurch, dass ein pneumatischer oder hydraulischer Kolben oder ein Elektromotor über eine mechanische Verbindung die Verstellvorrichtung bewegt.
• Bei Betrieb der Hubkolbenmaschine mit hoher Verdichtung steht der Exzenter 5 so, dass er in gestreckter Lage des Pleuels 6 und des Hubzapfens 3 der Kurbelwelle 1 – im sogenannten Oberen Totpunkt – den Hub der Kurbelwelle vergrößert. Die Schwinge 7, die fest mit dem Exzenter 5 verbunden ist, ragt seitwärts ab und wird in der Verstellvorrichtung 8 geführt, die sich z.B. in einer unteren Stellung in der Führung 9 befindet. Beim Drehen der Kurbelwelle 1 schwenkt der Exzenter 5 in einem kleinen Winkel um den Hubzapfen 3 auf Grund der endlichen Länge der Schwinge 7 und es ergibt sich ein kleiner Fehler in Hubverlauf des Pleuels 6, der aber tolerierbar ist, da das Verdichtungsverhältnis vor allem im Oberen Totpunkt von Interesse ist. Um eine niedrige Verdichtung der Hubkolbenmaschine einzustellen wird die Verstellvorrichtung 8 in der Führung 9 nach oben bewegt. Dadurch schwenkt die Schwinge 7 und der Exzenter 5 um den Hubzapfen 3 und in der Oberen Totpunkt-Stellung der Kurbelwelle 1 wird durch den Exzenter ein geringerer Hub und damit eine geringere Verdichtung erzielt. Da der Schwenkwinkel der Schwinge 7 um den Hubzapfen 3 wesentlich weniger als 180° beträgt, ist keine Verstellung des Hubes auf die vom Exzenter 5 maximal mögliche Stellung möglich. Bei richtiger Wahl der Exzentrizität und des Schwenkwinkels der Schwinge 7 bzw. der Länge der Führung 9 ist jedoch eine ausreichende Hubverstellung bzw. Veränderung der Verdichtung möglich, ohne den Bauraum und die Funktion der Hubkolbenmaschine zu beeinträchtigen. Falls die Schwinge 7 nicht als starre Verbindung zwischen dem Exzenter 5 und der Verstellvorrichtung ausgeführt ist, sondern durch ein Getriebe aus einem Vielgelenk ersetzt ist, ist es möglich am Exzenter auch größere Drehwinkel, d.h. auch größere Hubänderungen zu realisieren, als dies bei einer starren Schwinge der Fall wäre.

Claims (7)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen: – ein Kolben in einem Zylinder steht über ein Pleuel und dessen großes Pleuelauge mit dem Hubzapfen einer Kurbelwelle in Verbindung und – zwischen Hubzapfen und großem Pleuelauge ist ein Exzenter drehbar angeordnet, um dadurch einen Hub des Kolbens zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Exzenters (5) über eine Schwinge (7) einstellbar ist.
2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinge (7) einerseits mit dem Exzenter (5) fest verbunden ist und andererseits in einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine beweglich gelagert ist.
3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gehäuseseitige Lagerpunkt der Schwinge (7) ungefähr quer zur Zylinderrichtung in einer Verstellvorrichtung (8) bewegbar ist.
4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (8) selbst ungefähr in Zylinderrichtung verschiebbar ist.
5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (8) als Kreuzkopf oder Schiebehülse ausgebildet ist.
6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (8) mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch antreibbar ist.
7. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubverstellung mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch von einem Steuergerät betriebspunktabhängig regelbar ist.