DE19944668A1 - Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Pleuel, in dessen einer Kurbelwelle zuordenbaren Pleuelauge eine Hülse mit einer Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung verdrehbar angeordnet ist, wobei die Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung exzentrisch zum Pleuelauge angeordnet ist, vorgeschlagen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Hülse (13) oder das Pleuel (3) zur Verdrehung der Hülse (13) mindestens eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Arbeitskammer (45; 47) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen dazu, die Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine an deren Betriebszustände, also Teillast oder Vollast, anzupassen. Hierzu wird der Hub eines Pleuels der Hubkolbenbrennkraftmaschine entsprechend verändert.

Aus der DE 197 03 948 C1 geht eine Vorrichtung mit einem Pleuel hervor, in dessen einer Kurbelwelle zugeordneten, großen Pleuelauge eine Hülse verdrehbar angeordnet ist. Die Hülse weist eine zum großen Pleuelauge exzentrisch angeordnete Kurbelwellen- Durchgriffsöffnung auf. Die Verdichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine ist durch eine Veränderung der Drehstellung der Hülse möglich, wobei die Hülse in der jeweiligen Drehstellung mittels eines Verriegelungsglieds arretierbar ist. Die Verdrehung der Hülse erfolgt nach Freigabe durch das Verriegelungsglied selbständig aufgrund der auf sie durch die Drehung der Kurbelwelle beziehungsweise der oszillierenden Bewegung des Pleuels her einwirkenden Kräfte. Nachteilig ist, daß häufig eine schnelle Verdrehung der Hülse in eine definierte Drehstellung nicht in gewünschter Weise erfolgt. Zur Verdrehung der Hülse wird außerdem vorgeschlagen, eine Zahnradpumpe in das Pleuel zu integrieren, die ein in eine an der Hülse vorgesehene Verzahnung eingreifendes Zahnrad umfaßt. Nachteilig hierbei ist der große Fertigungsaufwand und die Kosten für diese zusätzlichen Teile.

Aus der DE 31 27 760 A1 geht eine Vorrichtung hervor, bei der die Verdrehung der im großen Pleuelauge angeordneten, eine gegenüber dem großen Pleuelauge exzentrische Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung aufweisende Hülse mit Hilfe einer fest mit der Hülse verbundenen Schubstange erfolgt, die in einer Gleitführung geführt ist. Eine Verstellung der Gleitführung auf eine andere Position führt zu einer Verdrehung der Hülse. Die Ausgestaltung dieser mechanischen Stellvorrichtung ist sehr aufwendig und somit kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch ein niedriges Gewicht und einem geringen Platzbedarf auszeichnet sowie einen einfachen und somit kostengünstigen Aufbau aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß die Hülse oder das Pleuel zur Verdrehung der Hülse mindestens eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Arbeitskammer aufweist. Die Verdrehung der Hülse erfolgt also durch das Einbringen eines unter Druck stehenden Mediums, beispielsweise Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf, in die Arbeitskammer. Die Arbeitskammer weist die Funktion eines Zylinders auf, während der mit dem Zylinder zusammenwirkende Kolben von einem festen Teil am Pleuel oder des Pleuels beziehungsweise an der Hülse oder der Hülse gebildet ist. Bei der Ausführungsform, bei der die Hülse die Arbeitskammer aufweist, erfolgt bei Beaufschlagung der Arbeitskammer mit dem Druckmedium eine Relativbewegung des Zylinders gegenüber dem Kolben. Bei der anderen Ausführungsform, bei der das Pleuel die als Zylinder wirkende Arbeitskammer und die Hülse ein als Kolben wirkenden Abschnitt oder Bereich aufweist, wird der Kolben relativ gegenüber dem Zylinder bewegt. Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen und somit kostengünstigen Aufbau sowie durch eine hohe Funktionssicherheit aus. Vorteilhaft ist ferner, daß die Vorrichtung praktisch keine einem Verschleiß unterliegenden Bauteile aufweist. Überdies sind der Platzbedarf und das Gewicht der Vorrichtung vorzugsweise nur sehr gering.

Im Zusammenhang mit der hier vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Verdrehung" der Hülse zum Einnehmen verschiedener Drehstellungen sowohl ein Verschwenken der Hülse im und entgegen dem Uhrzeigersinn als auch eine Rotation der Hülse in eine Richtung verstanden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Arbeitskammer von einem die Funktion eines gegenüber dem Pleuel oder der Hülse feststehenden Kolbens aufweisenden Anschlag abgeschlossen ist. Mit Hüfe des Anschlags ist die Drehstellung der Hülse bezüglich des Pleuels festlegbar, wobei die Hülse in mindestens zwei Drehstellungen verdrehbar ist. Durch die Doppelfunktion des als Kolben und als Drehstellungs-Festlegungsmittel dienenden Anschlags kann der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht werden.

Außerdem wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, daß die Kurbelwelle mindestens einen Kanal für das Druckmedium aufweist, der zumindest innerhalb eines Kurbelwellen-Drehstellungsbereichs in die Arbeitskammer mündet. Bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle überstreicht die mindestens eine im die Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung durchgreifenden Pleuellagerzapfen vorgesehene Kanalöffnung die mit dem Druckmedium beaufschlagbare Arbeitskammer, wodurch das Medium der Arbeitskammer schubweise in bestimmten, von der Drehstellung der Kurbelwelle abhängigen Intervallen zugeführt beziehungsweise aus der Arbeitskammer ausgebracht werden kann. Alternativ ist es möglich, daß mit Hilfe einer Ringnut oder dergleichen zwischen dem Kanal und der Arbeitskammer in jeder Drehstellung der Kurbelwelle eine Mediumverbindung besteht, so daß das Medium kontinuierlich in die Arbeitskammer eingeleitet beziehungsweise aus dieser heraustransportiert werden kann.

Schließlich wird noch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, bei dem in radialer Richtung der Kurbelwelle gesehen eine weitere Arbeitskammer an der Hülse oder dem Pleuel zur Rückdrehung der Hülse ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Hülse also schwenkbar ausgebildet, das heißt, bei einer Druckbeaufschlagung einer der Arbeitskammern wird die Hülse im Uhrzeigersinn und bei einer Druckbeaufschlagung der anderen Arbeitskammer in entgegengesetzter Richtung um die Längsmittelachse des großen Pleuelauges verschwenkt. Dadurch ist ein ausschließlich mit hydraulischen Mitteln bewirktes Verdrehen der Hülse möglich.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mehrteiligen Pleuels einer Hubkolbenbrennkraftmaschine;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Oberteils des in Fig. 1 dargestellten Pleuels;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Unterteils des in Fig. 1 dargestellten Pleuels;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines ersten Teils eines Ausführungsbeispiels einer mehrteiligen Lagerhülse;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Teils der Lagerhülse und

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungselements zur Verdrehsicherung der Lagerhülse.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, nämlich ein Pleuel 3, der ein kleines Pleuelauge 5 zur Lagerung eines Kolbenbolzens und ein großes Pleuelauge 7 zur Lagerung eines Pleuellagerzapfens einer Kurbelwelle umfaßt. Das Pleuel 3 ist zur Ausbildung eines geteilten Lagers für den Pleuellagerzapfen zweiteilig ausgebildet und umfaßt ein Pleueloberteil 9 und ein Pleuelunterteil 11, die mittels nicht dargestellter Befestigungsmittel lösbar miteinander verbindbar sind. Im großen Pleuel­ auge 7 ist eine zweigeteilte Hülse 13 angeordnet, die eine erste Lagerschale 15 und eine zweite Lagerschale 17 aufweist. Die vorzugsweise aus Stahl bestehende, an ihrem Innenumfang mit einem Lagermaterial beschichtete Hülse 13 weist eine Kurbelwellen- Durchgriffsöffnung 19 auf, die exzentrisch zum großen Pleuelauge 7 angeordnet ist. Die Lagerschalen 15, 17 der im Pleuelauge 7 verdrehbaren Hülse 13 sind an ihrer Außenseite unterschiedlich ausgeformt, worauf im folgenden näher eingegangen wird.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der anhand von Fig. 1 beschriebenen ersten Lagerschale 15 der Hülse 13, die an ihrer äußeren Kontur teilweise an die Innenkontur des großen Pleuelauges 7 angepaßt ist. Die Innenkontur des Pleuelauges 7 ist über dessen gesamten Umfang gleichmäßig, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, aus denen jeweils eine perspektivische Darstellung des Pleueloberteils 9 beziehungsweise des Pleuelunterteils 11 ohne die Hülse 13 hervorgeht. In den Außenumfang der ersten Lagerschale 15 sind an die Innenkontur des Pleuelauges 7 entsprechend angepaßte Nuten 21 mit unterschiedlicher Tiefe eingebracht, wodurch eine erste Lagerschulter 23 und eine zweite Lagerschulter 25 gebildet sind. Überdies weist die erste Lagerschale 15 Anlageflächen 27 und 27' auf, mit denen sie im montierten Zustand an der zweiten Lagerschale 17 anliegt. Die Anlageflächen 27, 27' können plan ausgebildet sein und weisen keine Vertiefungen auf.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der zweiten Lagerschale 17 der Hülse 13 schräg von oben. Die zweite Lagerschale 17 ist an ihrer äußeren Kontur vollkommen an die Innenkontur des großen Pleuelauges 7 angepaßt, wie die erste Lagerschale 15, und weist Anschlagflächen 29 und 29' auf, die im zusammengesetzten Zustand der Hülse 13 an den Anlagefläche 27 beziehungsweise 27' der ersten Lagerschale 15 anliegen. In die Anschlagflächen 29, 29' sind randoffene Vertiefungen 31 und 31' eingebracht, die zur Verteilung eines Druckmediums vorgesehen sind. Des weiteren wirken die Anschlagflächen 29, 29' der zweiten Lagerschale 17 mit einem in Fig. 3 dargestellten Anschlag 35 zusammen, der hier von einer Anschlagplatte 37 gebildet ist. Die Anschlagplatte 37 ist im montierten Zustand zwischen dem Pleueloberteil und -unterteil angeordnet und weist in das Pleuelauge 7 hineinragende - in Fig. 3 gestrichelt dargestellte - Anschlagflächenbereiche 38 und 38' auf, die mit den Anschlagflächen 29, 29' der zweiten Lagerschale 17 zusammenwirken. Die Oberseite 49 eines der Anschlagflächenbereiche 38, 38' bildet eine erste Kolbenfläche für eine erste Arbeitskammern 45, die zwischen dem Außenrücken der ersten Lagerschale 15 und dem Pleuelunterteil 11 gebildet ist. Die Unterseite 50 des anderen Anschlagflächenbereichs bildet eine zweite Kolbenfläche für eine zweite Arbeitskammer 47, die zwischen dem Außenrücken der ersten Lagerschale 15 und dem Pleueloberteil 9 gebildet ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist die Hülse 13 um circa 175° im Pleuelauge 7 verdrehbar, wobei die beiden Drehstellungen der Hülse 13 durch den Anschlag 35 festgelegt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Drehwinkelbereich der Hülse 13 durch die Dicke des Anschlags 35 bestimmt. In einer ersten, in Fig. 1 dargestellten Drehstellung schlägt die zweite Lagerschale 17 mit einer ihrer Anschlagflächen 29, 29' von oben gegen den Anschlag 35 beziehungsweise die Anschlagflächenbereiche 38, 38' und in der anderen, gegenüber der ersten Drehstellung um circa 175° im Uhrzeigersinn verdrehten zweiten Drehstellung von unten gegen die Anschlagflächenbereiche 38, 38'.

In die Innenumfangsfläche 39 der zweiten Lagerschale 17 sind Ringnutabschnitte 41 und 43 eingebracht, die in Umfangsrichtung der Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung 19 verlaufen und sich durch die Anschlagflächen 29, 29' bis in die jeweilige Vertiefung 31, 31' erstrecken. Die Ringnutabschnitte 41, 43 bilden Auffangkammern, die mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind. Der im zusammengebauten Zustand zwischen der Lagerschale 15 und dem Pleuelunterteil 11 beziehungsweise dem Pleueloberteil 9 befindliche Hohlraum stellt die Arbeitskammer 45 beziehungsweise 47 dar. Die Arbeitskammern 45, 47 werden an ihrem Umfang jeweils von der Anschlagplatte 37 und den Anschlagflächen 29, 29' beziehungsweise den Vertiefungen 31, 31' begrenzt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Arbeitskammern 45, 47 mit Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf beaufschlagbar, wobei die Arbeitskammern 45, 47 getrennte Druckölversorgungen aufweisen. Die Druckölversorgung wird beispielsweise über ein in den Figuren nicht dargestelltes Mehrwegeventil und zwei Hauptölgalerien in einem die Kurbelwelle aufnehmenden Kurbelgehäuse mit Stichbohrungen zu den Kurbelwellenhauptlagern realisiert. Die Kurbelwellenhauptlager stehen über jeweils mindestens einen in die Kurbelwelle eingebrachten Kanal mit den Pleuellagerzapfen und in diesem angeordneten Kanalöffnungen mit den Arbeitskammern 45, 47 in Strömungsverbindung.

Die Vorrichtung 1 umfaßt außerdem ein in den Fig. 1 und 6 dargestelltes Verriegelungselement 51, das hier am Pleuelunterteil 11 angeordnet ist und dazu dient, die Hülse 13 in ihren beiden Drehstellungen gegen Verdrehen zu sichern. Das Verriegelungselement 51 umfaßt einen mit einem Kolben 53 fest verbundenen Verriegelungsbolzen 55, der bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Längsmittelachse des Pleuelauges 7 beziehungsweise zur Pleuellängsachse angeordnet und in Richtung eines Doppelpfeils 57 verlagerbar ist. Der Verriegelungsbolzen 55 greift in einer ersten Funktionsstellung in eine der in den Umfang der ersten Lagerschale 15 eingebrachten Durchgangsöffnungen 59, 61 beziehungsweise in eine Durchgangsöffnung 60 in der zweiten Lagerschale 17 (Fig. 5) ein. In einer zweiten Funktionsstellung ist der Verriegelungsbolzen 55 aus der Durchgangsöffnung herausgefahren, so daß die Hülse 13 verdrehbar ist. In welche der in Umfangsrichtung der Lagerschale 15 in einem Abstand von circa 5° angeordneten Durchgangsöffnungen 59, 61 der Verriegelungsbolzen 55 zur Verdrehsicherung der Hülse 13 einfahrbar ist, ist abhängig von der jeweiligen Drehstellung der Hülse 13. Der Kolben 53 unterteilt einen Zylinder 63 in zwei Arbeitsräume 65 und 67, von denen der Arbeitsraum 65 mit einem Druckmedium, beispielsweise Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf, beaufschlagbar ist. Im anderen Arbeitsraum 67 ist ein von einer Druckfeder gebildetes Federelement 69 angeordnet, das bei Unterschreiten eines bestimmten Drucks im Arbeitsraum 65 den Kolben 53 innerhalb des Zylinders 63 so verlagert, daß der Verriegelungsbolzen 55 von der Hülse 13 weg verlagert und gegebenenfalls aus einer der Durchgangsöffungen 59, 60, 61 herausgezogen wird.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß der Kolben 53 und der Verriegelungsbolzen 55 von einer Durchgangsbohrung 71 durchdrungen sind, durch die Drucköl vom Pleuellager in den Arbeitsraum 65 des Zylinders 63 geleitet werden kann. Der Kolben 53 weist bei diesem Ausführungsbeispiel auf seiner dem Arbeitsraum 65 zugewandten Seite ein Ausnehmung auf, wodurch eine Ringfläche 73 gebildet ist, die mit dem Drucköl beaufschlagbar ist, so daß der Verriegelungsbolzen 55 in eine Verriegelungs-/Rastposition verlagert wird, in der in eine der Durchgangsöffungen 59, 61 in der Lagerschale 15 beziehungsweise in die Durchgangsöffnung 60 in der Lagerschale 17 eingreift.

Bei einem weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verriegelungselement parallel zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet und greift in eine in einer der Lagerschultern der beiden Lagerschalen 15, 17 der Hülse 13 eingebrachten Ausnehmung ein.

Im folgenden wird die Funktion der anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtung 1 näher beschrieben: Die in Fig. 1 dargestellte Drehstellung der Hülse 13 entspricht der minimalen Verdichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine. In dieser Drehstellung stößt die zweite Lagerschale 17 von oben gegen den Anschlag 35. Zur Verdrehung der Hülse 13 im Uhrzeigersinn (Pfeil 72) in seine zweite Drehstellung, in der die zweite Lagerschale 17 von unten an den Anschlag 35 anstößt, wird das Verriegelungselement 51 außer Eingriff mit der Hülse 13 beziehungsweise den Lagerschalen 15, 17 gebracht. Dann wird die eine Druckkammer 47 mit Drucköl beaufschlagt, wodurch die Hülse 13 vom Anschlag 35 weggedrückt wird, so weit, bis sie ihre andere Drehstellung erreicht hat, in der die zweite Lagerschale 17 von unten gegen den Anschlag 35 schlägt. Schließlich wird das Verriegelungselement 51 zur Fixierung der Hülse 13 verlagert und der Verriegelungsbolzen 55 in die entsprechende Durchgangsöffnung 59, 60, 61 eingefahren. Eine Rückdrehung der Hülse 13 von der einen Drehstellung in die andere Drehstellung erfolgt dadurch, daß das Verriegelungselement 51 aus seiner Rastposition in eine Warteposition verlagert und die andere Druckkammer 45 nunmehr mit Drucköl gefüllt wird, wodurch die Hülse 13 entgegen dem Uhrzeigersinn in ihre in Fig. 1 dargestellte Drehstellung zurückverdreht wird. Dabei wird gleichzeitig das in der anderen, drucklosen Arbeitskammer befindliche Druckmedium herausgedrückt und kann, beispielsweise über den Kanal in der Kurbelwelle, erneut dem Motorschmierölkreislauf zugeführt werden.

Die anhand der Figuren beschriebene Vorrichtung 1 zeichnet sich insbesondere durch einen kostengünstigen Aufbau aus und weist überdies eine hohe Funktionsicherheit auf.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Pleuel, in dessen einer Kurbelwelle zuordenbaren Pleuelauge eine Hülse mit einer Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung verdrehbar angeordnet ist, wobei die Kurbelwellen-Durchgriffsöffnung exzentrisch zum Pleuelauge angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (13) oder das Pleuel (3) zur Verdrehung der Hülse (13) mindestens eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Arbeitskammer (45; 47) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (45; 47) von einem die Funktion eines gegenüber dem Pleuel (3) oder der Hülse (13) feststehenden Kolbens aufweisenden Anschlag (35) abgeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (45; 47) - je nach Drehwinkelstellung der Hülse (13) - von einem Außenumfangsbereich der Hülse (13) und einer ersten Lagerschale (15) beziehungsweise einer zweiten Lagerschale (17) der mindestens zweigeteilten Hülse (13) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle mindestens einen Kanal für das Druckmedium aufweist, der zumindest innerhalb eines Kurbelwellen-Drehstellungsbereichs in die Arbeitskammer (45; 47) mündet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in radialer Richtung der Kurbelwelle gesehen eine weitere Arbeitskammer (45; 47) an der Hülse (13) oder dem Pleuel (3) zur Rückdrehung der Hülse (13) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (35) mit seiner einen Seite eine Kolbenfläche für die eine Arbeitskammer (45; 47) und mit seiner anderen Seite eine Kolbenfläche für die andere Arbeitskammer (47; 45) bildet.