WO2015082722A2

WO2015082722A2 - Längenvariable pleuelstange einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2015082722A2
Application number: PCT/EP2014/076914
Authority: WO
Inventors: Karsten Wittek
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: WO2015082722A3; DE112014003727A5; US20160305471A1; US9784305B2; CN105556094A; CN105556094B; DE102013225063A1

Abstract

Es wird eine Pleuelstange vorgeschlagen, deren wirksame Länge zwischen kleinem Pleuelauge und großen Pleuelauge durch einen Exzenter am kleinen Pleuelauge einstellbar ist. Dabei wird eine besonders kompakte und betriebssichere Arretierung des Exzenters mit Hilfe eines Zahnstangentriebs und eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders bewirkt.

Description

Länqenvariable Pleuelstange einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange einer Hubkolbenverbrennungskraftma- schine (nachfolgend auch als Verbrennungskraftmaschine (VKM) bezeichnet). Bei dieser Pleuelstange ist der Kolbenbolzen exzentrisch im kleinen Pleuelauge gelagert. Ein variables Verdichtungsverhältnis wird nachfolgend auch als VCR (= variable compression ratio) abgekürzt; entsprechend wird die erfindungsgemäße Pleuelstange auch als VCR-Pleuel bezeichnet. Im Übrigen werden im Zusammenhang mit der Erfindung die Begriffe„Pleuel" und„Pleuelstange" synonym verwendet.

Die Hauptmotivation eines variablen Verdichtungsverhältnisses ist eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Es gibt verschiedene Alternativen, ein VRC zu realisieren. Wichtige Aspekte bei der Auswahl einer geeigneten Alternative sind die erforderlichen konstruktiven Änderungen an einer herkömmlichen Brennkraftmaschine und die Kosten.

Stand der Technik

VCR-Pleuel zur Realisierung einer variablen Verdichtung bei Verbrennungskraftmaschinen gehören zum Stand der Technik. Die DE-A-10 2005 055 199 beschreibt ein VCR-Pleuel bei dem die effektive Pleuellänge durch Verdrehen eines im kleinen Pleuelauge gelagerten Exzenters herbeigeführt wird. Dabei wird die Exzenterdrehung einerseits durch die während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine die am Kolbenbolzen wirkenden Kräfte und andererseits hydraulischen Kräfte an einer Abstützmechanik bewirkt.

Diese Abstützmechanik limitiert die Verdrehgeschwindigkeit des Exzenters und verhindert ein ungewolltes Zurückdrehen des Exzenters. Die aus der DE-A-10 2005 055 199 bekannte Abstützmechanik besteht aus einem Paar von Schub- Kurbelgetrieben zu beiden Seiten des Exzenters, deren Kolben sich jeweils auf fluidgefüllten Stützkammern abstützen. Durch eine entsprechende hydraulische Verschaltung dieser Stützkammern werden die gewünschte Rückdreh- sperre und die gewünschte Bremswirkung realisiert.

Ein Nachteil dieses VCR-Pleuels ist die Zunahme der (oszillierenden) Masse im Vergleich zu einem konventionellen Pleuel. Außerdem benötigt die Abstützmechanik insbesondere der mit dem Exzenter verbundene Hebel, einen entspre^¬ chenden Freiraum im Innenraum des Kolbens.

Eine Verstellung hin zu hoher Verdichtung erfordert nach oben gerichtete Kräfte am Kolbenbolzen, wie sie während der Phase des Ladungswechsels auftre^¬ ten. Der von der Fliehkaft verursachte Teil dieser Kolbenbolzenkraft nimmt quadratisch mit der Drehzahl zu. Im Umkehrschluss ergibt sich daraus, dass sich das Kraftangebot quadratisch mit der Drehzahl verringert. Als Folge nimmt die Verstellzeit bei niedrigen Drehzahlen stark zu, wodurch das thermo- dynamische Potenzial der variablen Verdichtung bei transientem Betrieb nur unvollständig ausgenutzt werden kann. Außerdem zeigt die DE-A-10 2005 055 199 eine Hubkolbenverbrennungsma- schine mit einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis in einem Hubkolben mittels einer Betätigungseinheit. Die Betätigungseinheit wird durch einen Verstellmechanismus betätigt, wobei der Verstellmechanismus einen Zahnstangentrieb aufweist. Die Betätigungseinheit und der Verstellmechanis- mus sind dabei außerhalb eines Pleuels der Hubkolbenverbrennungsmaschine angeordnet. Eine solche Anordnung ist sehr ausladend und benötigt daher viel Bauraum im Innenbereich des Kolbens.

Ferner sind in EP-B-1496219 eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdich- tungsverhältnis und in DE-A-102012014917eine Druckimpulsansteuerung für eine Einreichung zur Verstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses be^¬ schrieben. Aufgabe der Erfindung

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein VCR-Pleuel bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile ganz oder zumindest teilweise vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend ein großes Pleuelauge, ein kleines Pleuelauge, wobei in dem kleinen Pleuelauge ein Exzenter mit einer exzentrisch zu seinem Außendurchmesser angeordneten Lagerbohrung für einen Kolbenbolzen ausgebildet ist, und wobei Mittel zum Abstützen des Exzenters zur Verhinderung einer Drehbewegung des Exzenters relativ zu der Pleuelstange vorgesehen sind, dadurch gelöst, dass die Mittel zum Abstützen einen Zahnstangentrieb und einen mit dem Zahnstangentrieb gekoppelten doppelwirkenden Hydraulikzylinder umfassen, wobei der Zahnstangentrieb und der Hydraulikzylinder integraler Teil der Pleuelstange ist.

Gegenüber dem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße VCR-Pleuel folgende Vorteile auf:

Eine nur geringe Zunahme der Pleuelmasse insbesondere der oszillierenden Masse; ein geringerer Bauraumbedarf insbesondere im Innenbereich des Kolbens; geringere mechanische Belastungen der Abstützmechanik; geringere Herstellkosten und nahezu konstante Verstellzeiten, auch bei niedrigen Motordrehzahlen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenter eine zu seinem Außendurchmesser konzentrische Verzahnung auf, die direkt oder mit- telbar über ein Zwischenrad mit einer Zahnstange des Zahnstangentriebs kämmt. Dadurch ist es möglich, bei minimalem Bauraumbedarf den Stellweg der Zahnstange optimal in die Pleuelstange zu integrieren und an verschiedene Anwendungen anzupassen. Durch das Zwischenrad kann die Zahnstange weiter in Richtung des großen Pleuelauges verschoben werden, sodass bei dem erfindungsgemäßen Pleuel die Zahnstange auch in ihrer ausgefahrenen Endlage nur wenig über den Pleuelgrundkörper hinausragt. Damit der Eingriff zwischen Zahnstange und Zahnrad bzw. der Außenverzahnung des Exzenters spielfrei und genau erfolgt, ist an der Zahnstange eine Führungsfläche ausgebildet, welche mit einer komplementären Nut in der Pleuelstange zusammenwirkt. Dadurch ist auf einfache Weise eine Linearführung der Zahnstange in der Pleuelstange ausgebildet, die belastbar und langlebig ist.

In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Zylinderbohrung des Hydraulikzylinders in der Pleuelstange angeordnet und besonders bevorzugt in Form einer präzise gearbeiteten Bohrung in der Pleuelstange ausgebildet ist. Dadurch werden Materialkosten eingespart und der Bauraumbedarf für den doppelt wirkenden Zylinder minimiert.

Der Zylinder weist eine Kolbenstange mit einem Kolben auf, wobei die Kolben- Stange einen Ends mit der Zahnstange gekoppelt ist, sodass über die Arretierung des Kolben in einer gewünschten Position gleichzeitig damit auch der Exzenter im oberen Pleuelauge arretiert bzw. abgestützt wird. Die Stellkräfte zum Verdrehen des Exzenters müssen nicht von dem Zylinder aufgebracht werden. Es ist vielmehr so, dass die beim Betrieb der Brennkraftmaschine auf- tretenden Massenkräfte die zum Verdrehen des Exzenters erforderliche Energie zur Verfügung stellen. Der Zylinder dient über den Zahnstangenbetrieb le- diglich dazu, den Exzenter so abzustützen, dass er die von der Motorsteuerung gesehene Position einhält.

Der doppeltwirkende Zylinder wird durch den Kolben in einer obere Stützkam- mer und eine untere Stützkammer aufgeteilt, wobei die obere Stützkammer durch eine Kolbenbuchse abgedichtet ist und die Kolbenstange dichtend durch die Kolbenbuchse hindurch geführt ist.

Im Prinzip kann dabei jede aus dem Stand der Technik bekannte Bauart eines doppeltwirkenden Zylinders mit einfacher oder doppelter Kolbenstange eingesetzt bzw. dem Anwendungszweck entsprechend adaptiert werden.

Des Weiteren ist in erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Pleuelstange in dieser ein erster Kanal zur Versorgung der oberen Stützkammer mit einem Hyd- raulikfluid und ein zweiter Kanal zur Versorgung der unteren Stützkammer ausgebildet.

Diese Kanäle können, den Anforderungen und sonstigen Randbedingungen bei der Fertigung und Konstruktion der Pleuelstange entsprechend, als Bohrungen in der Pleuelstange ausgeführt sein. Es ist jedoch auch bei geschraubten

Pleueln möglich, dass die Befestigungsbohrung der Pleuelstange als Stufenbohrung ausgebildet ist und mindestens bereichsweise einen größeren Durchmesser als der Schaft der Pleuelschraube aufweist. Dann entsteht zwischen dem Schaft der Pleuelschraube und der Bohrung ein ringförmiger Kanalab- schnitt.

Des Weiteren ist es natürlich auch möglich, diese Kanäle in Form von Nuten, die in die Pleuelstange gefräst werden auszubilden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der unteren Hälfte des großen Pleuelauges eine Versorgungsnut ausgebildet, die zur Schmierölversorgung der beiden Kanäle dient. Dazu ist anzumerken, dass das Gleitlager des großen Pleuelauges über die Ölpumpe der Brennkraftmaschine kontinuierlich mit unter Druck stehendem Öl versorgt wird. Erfindungsgemäß wird nun immer dann, wenn der Exzenter eine Drehbewegung ausführen soll ein Teil dieser Ölmenge abgezweigt und in eine der beiden Stützkammern des dop- peltwirkenden Zylinders geleitet. Dabei strömt das Öl über die Versorgungsnut, in ein Wegeventil und vorn dort in den ersten Kanal oder den zweiten Kanal . Je nachdem, welcher der beidem Kanäle über die Versorgungsnut und das Wegeventil mit Schmieröl aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine versorgt wird, vergrößert sich die untere Stützkammer oder die obere Stützkammer und in Folge dessen bewegt sich der Kolben in Richtung des kleinen Pleuelauges oder in Richtung des großen Pleuelauges.

In anderen Worten : Durch Betätigen des Wegeventils zwischen der Versorgungsnut und den Kanälen kann sich der Kolben des Zylinders in die eine oder andere Richtung bewegen und ermöglicht dadurch die Drehbewegung des Exzenters.

Wenn der Exzenter in seiner Position arretiert werden soll, dann wird das Wegeventil so geschaltet, dass bspw. das Öl in der unteren Stützkammer nicht aus dieser abfließen kann. In Folge dessen dient das Öl in der unteren Stützkammer gewissermaßen als Anschlag für den Kolben, der auf diese Weise den Exzenter im kleinen Pleuelauge in einer ersten Position abstützt und dessen verdrehen verhindert. Wenn der Exzenter die entgegengesetzte zweite Position einnehmen soll, dann wird der obere Stützraum mit Öl gefüllt und übernimmt bei geschlossenem Wegeventil die Funktion eines Anschlags für den Kolben, sodass auch in dieser Position der Exzenter arretiert wird. Es versteht sich von selbst, dass es verschiedene Bauarten von Wegeventilen gibt, die grundsätzlich für den erfindungsgemäßen Einsatz geeignet sind. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Wegeventil als Schieber- ventil als zwei Schaltstell ungen ausgebildet ist und der Schieber des Wegeventils parallel zur Kurbelwel lenlängsachse bzw. zur Drehachse der Pleuelaugen angeord net ist. Dann nämlich ist es mög lich, d urch ein im Kurbelgehäuse fest angeordnetes Betätigungselement den Schieber von der einen Position in die andere Position zu bewegen . Dies kann bspw. M it einem gabelförmigen Stellelement erreicht werden, das in Richtung der Längsachse der Ku rbelwelle verschiebbar ist. M it jeder Umdrehung der Kurbelwelle taucht das Ventilg lied in die am Kurbelgehäuse verschiebbar angeordnete Gabel des Stellelements ein und wird dad urch in der gewünschten Position gehalten oder in eine neue Posi- tion gebracht.

Damit nach erfolgter Änderung der Position, das Ventilglied nicht permanent das Verstel lelement berührt, ist in dem Wegeventil eine federbelastete Kugel angeordnet, die in eine entsprechend positionierte Vertiefung des Ventilglieds eing reift, wenn d ieses seine erste und/oder seine zweite Schaltstell ung einnimmt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfind ung sind den nachfolgenden Zeichnungen und deren Beschreibung entnehmbar.

Verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines erfind ungsgemäßen VCR- Pleuels. Es zeigen :

Fig . 1 eine perspektivische Darstell ung des Pleuels mit Wegeventil,

Fig . 2 eine Frontansicht des Pleuels,

Fig . 3 eine Seitenansicht des Pleuels aus Fig . 1 ,

Fig . 4 eine Schnittansicht des Pleuels entlang der Schnittlinie A-A in Fig ur 4, Fig . 5 eine Schnittansicht des Pleuels entlang der Schnittlinie B- B in Fig ur 2, Fig . 6 eine Schnittansicht des Pleuels entlang der Schnittlinie C-C in Figur 1 , Fig . 7 eine perspektivische Darstell ung der wesentl ichen Bauteile des Abstützsystems,

Fig . 8 eine perspektivische Darstel lung des Wegeventils, Fig. 9 eine Draufsicht des Wegeventils,

Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie D-D in Figur 9,

Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels in einer Exzenterstellung nahe des Minimalverdichtung und

Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht des Pleuels in einer Exzenterstellung nahe der Maximalverdichtung.

Beschreibung Die Figuren 1 bis 12 zeigen ein und dasselbe Ausführungsbeispiel, sodass selbstverständlich die Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils die gleiche Bedeutung haben und zur Erläuterung der Erfindung zwischen den verschiedenen Figuren gewechselt wird. Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Pleuelstange 1, wobei das kleine Pleuelauge 21 in der Figur 1 oben angeordnet ist und das große Pleuelauge 22 in der Figur 1 unten angeordnet ist. Sowohl das kleine Pleuelauge 21 als auch das große Pleuelauge 22 sind Teil eines Pleuel^¬ grundkörpers 1.1. In dem kleinen Pleuelauge 21 ist ein Exzenter 2.1 angeord- net, der einen zylindrischen Außendurchmesser 2.1.3 und eine exzentrisch zum Außendurchmesser 2.1.3 angeordnete Lagerbohrung 2.1.4 aufweist. In der Lagerbohrung 2.1.4 wird der nicht dargestellte Kolbenbolzen eines Kolbens der Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise gelagert. Wenn nun der Exzenter 2.1 relativ zu dem Pleuelgrundkörper 1.1 verdreht wird, dann ändert sich der Abstand der Lagerbohrung 2.1.4 zum großen Pleuelauge 22. In Folge dessen ändern sich auch die wirksame Länge der Pleuelstange 1 und das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine. An dem in Figur 1 unteren Ende der Pleuelstange 1 sind eine Pleuellagerkappe 1.2 sowie ein Wegeventil 10 mit Hilfe der Pleuelschrauben 1.3 mit dem Pleuelgrundkörper 1.1 verschraubt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagerschale des großen Pleuelauges 22 zweigeteilt, sie umfasst eine obere Pleuellagerschale 1.4 und eine untere Pleuellagerschale 1.5.

In der unteren Pleuellagerschale 1.5 ist eine Versorgungsnut 13 ausgebildet. Über diese Versorgungsnut 13 wird ein Eingang des Wegeventils 10 mit Öl versorgt. Das Öl wird von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine durch die nicht dargestellte Kurbelwelle zu dem großen Pleuelauge 22 gefördert.

Im oberen Teil der Figur 1 ist ein Teil einer Außenverzahnung 2.1.1 an dem Exzenter 2.1 zu sehen. Des Weiteren ist zu sehen, dass in dem Pleuelgrundkörper 1.1 eine profilierte Nut 1.1.1 ausgebildet ist, in der eine Zahnstange 2.2 mit ihren Führungsflächen 2.2.2 verschiebbar geführt ist. in der Figur 1 sind die Führungsflächen nicht zu sehen. In der Figur 7 bspw. sind die Führungsflächen 2.2.2 freigeschnitten dargestellt u8nd gut sichtbar. Die aus Führungsflächen 2.2.2 und der Nut 1.1.1 gebildete Linearführung ist in der Figur 6 sehr gut zu erkennen. Wie sich aus der Figur 4, die einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Pleuelstange 1 entlang der Linie A-A in Figur 3 darstellt, ergibt, ist die Zahnstange 2.2 mit einer Kolbenstange 2.3, die wiederum einen (Stütz-)Kolben 2.3.1 trägt, gekoppelt. Der (Stütz-)Kolben 2.3.1 dient dazu, über die Zahnstange 2.2 und das Zahnrad 2.4 den Exzenter 2.1 in einer bestimmten, von der Steuerung der Brennkraftmaschine vorgegebenen Position abzustützen. Daher wird der Kolben 2.3.1 teilweise auch als Stützkolben bezeichnet. Er hat nicht, wie bei herkömmlichen Hydraulikzylindern die Funktion, Arbeit zu verrichten und über die Kolbenstange 2.3 die Zahnstange und infolgedessen auch den Exzenter 2.1 aktiv zu verdrehen. Die zum Verdrehen des Exzenters 2.1 erforderliche Energie wird mindestens teilweise über die auf den Exzenter 2.1 wirkenden Massenkräfte beim Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Zylinder hat zwei Funktionen. Einerseits die Abstützung der Exzentermomente, die aus der Kraft am Kolbenbolzen herrühren. Andererseits soll die Druckdifferenz am doppelt wirkenden Kolben auch genutzt werden, um den Exzenter aus seinen Endstellungen „anzuschieben", weil in den Endstellungen das Exzentermoment gering ist. Im Extremfall ist das Exzentermoment sogar null. Dies ist in der Regel der Fall, wenn ein Verdrehwinkel von 180° realisiert wird.

Der Kolben 2.3.1 und die Kolbenstange 2.3 sind Teil eines doppeltwirkenden Zylinders 23, dessen Zylinderbohrung 24 direkt in den Grundkörper 1.3 der Pleuelstange 1 hineingebohrt und anschließend fein bearbeitet ist.

Die Kolbenbuchse 2.6 ist mittels eines O-Rings 2.6.1 zur Zylinderbohrung 24 abgedichtet und mit Hilfe eines Drahtrings oder eines anderen Sicherungsele- ments 2.6.2 in der Zylinderbohrung 24 bzw. dem Grundkörper 1.1 fixiert.

Wie jeder doppelt wirkende Zylinder verfügen über die Stützräume 1.1.3 und 1.1.4 über jeweils einen Anschluss zur Ölversorgung. Im Falle des oberen Stützraums 1.1.3 erfolgt die Ölversorgung über einen aus mehreren Abschnitten gebildeten ersten Kanal 15, der im oberen Teil aus einer Querbohrung 15.1, einer Bohrung 15.2 parallel zum Zylinder 23, einer kreis- segmentförmigen Aussparung 15.3 und schließlich einem Ringspalt 15.4 zwischen der in Figur 4 linken Pleuelschraube 1.3 und der Bohrung 26 der Pleuel- lagerkappe 1.2 bzw. dem Pleuelgrundkörper 1.1.

In ähnlicher Weise besteht der zweite Kanal 12, der den unteren Stützraum 1.1.4 hydraulisch mit dem Wegeventil 10 verbindet, aus einem Bohrungsabschnitt 12.1 und einem Ringspalt 12.2 zwischen der in Figur 4 rechten Pleuel- schraube 1.3 sowie der Pleuellagerkappe 1.2 und dem Pleuelgrundkörper 1.1.1. Die Art und Weise, wie die Kanäle 15 und 12 geführt werden, wird überwiegend von fertigungstechnischen Gesichtspunkten bestimmt. Für die Funktion der Erfindung ist die Führung der Kanäle 15 und 12 innerhalb des Pleuelgrundkörpers 1.1 von untergeordneter Bedeutung.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel münden beide Kanäle 12 und 15 unten an der Unterseite der Pleuellagerkappe 1.2 in das Ventil 10.

Wie bereits erläutert steht an einem Eingang des Wegeventils 10 das Schmieröl mit dem von der Ölversorgung der Brennkraftmaschine bereitgestellten Druck an.

Das Wegeventil 10 kann bei laufendem Motor zwischen zwei Schaltstellungen hin- und her geschaltet werden, sodass entweder Öl in die untere Stützkammer 1.1.4 geführt wird oder Öl in die obere Stützkammer 1.1.3 geleitet wird. Die aus dem Öldruck in einer der beiden Stützkammern 1.1.3 bzw. 1.1.4 resultierende hydraulisch Kraft reicht aus, um den Kolben in eine der beiden Endstellungen zu bewegen und dort zu halten, sodass das in der betreffenden Stützkammer befindliche Öl als Anschlag für den Abstützkolben 2.3.1 dient und somit ein Verdrehen des Exzenters 2.1 verhindert wird. Das Halten der Exzen- terstellung wird durch das Rückschlagventil in der Zulaufleitung ermöglicht. Wichtig ist aber das vom Öldruck in der betreffenden Stützkammer ausgelöste und/oder unterstützte„Anschieben" aus den Endstellungen und das Unterstützen der aus den Kolbenolzenkräften resultierenden Momente in die jeweilige Richtung. Der Exzenter 2.1 hat selber keine Endanschläge. Als Wegbegrenzung fungiert der Hydraulikkolben. Der kann einmal stirnseitig unten aufliegen oder oben an der Kolbenbuchse anliegen.

Anhand der Figuren 8 bis 10 wird der Aufbau des exemplarisch dargestellten Wegeventils 3 etwas detaillierter dargestellt.

In einem Grundkörper 3.1 des Wegeventils 10 sind zwei Durchgangsbohrungen 10.2 und 10.3 vorhanden. Durch die Bohrungen 10.2 und 10.3 ragen die Pleuelschrauben 1.3, wenn das Wegeventil 10 von unten an die Pleuellagerkappe 1.2 angeschraubt ist. Dabei ist der Durchmesser der Bohrungen 10.2 und 10.3 etwas größer als der Durchmesser des Schafts der Pleuelschrauben 1.3, sodass sich auch dort ein ringförmiger Kanal bildet, der die Kanäle 15 und 12 im Pleuelgrundkörper 1.1.1 verlängert.

An der in Figur 8 oberen Fläche/Oberseite des Grundkörpers 3.1 sind zwei Nu^¬ ten 10.4 und 10.5 ausgebildet, wobei jeweils eine der Nuten 10.4 und 10.5 in einer Bohrung 10.2 bzw. 10.3 endet. Durch diese Nuten 10.4 und 10.5 werden die Bohrungen 10.2 und 10.3 mit zwei Ausgängen des Wegeventils 10 verbun^¬ den.

Etwa in der Mitte des Ventilkörpers 10.2 ist eine dritte Nut 10.6 eingearbeitet, die in montiertem Zustand des Wegeventils 10 hydraulisch mit der Versor- gungsnut 13 in Verbindung steht. Die Nut 10.6 stellt den Eingang des Wegeventils 10 dar.

In der Figur 10 ist der Ventilkörper 3.1 entlang der Linie D aus Figur 9 dargestellt.

Gut zu erkennen ist in der Figur 10 der Schieber 3.2, der in der dargestellten Schaltstellung die Nut 10.6 (Eingang des Wegeventils 10) mit der Nut 10.5 verbindet. Über den zweiten Kanal 12 mit den Abschnitten 12.2 und 12.1 wird somit der Eingang des Wegeventils 10 mit dem unteren Stützraum 1.1.4 hyd- raulisch verbunden.

Im linken Teil der Figur 1 ist die Nut 10.4 nicht sichtbar, weil sie „vor" der Schnittebene liegt. Es ist jedoch gut zu erkennen, dass die mit der Nut 10.4 verbundene Bohrung 10.7 in der dargestellten Schaltstellung des Schiebers 3.2 mit der Umgebung verbunden ist. Dies bedeutet, dass der obere Stützraum 1.1.3 drucklos ist. Wenn man nun den Schieber 3.2 in Figur 10 relativ zum Ventilgehäuse 3. 1 nach links verschiebt, dann verbindet der Schieber 3.2 den Einlass des Wegeventils 10 ( = d ie Nut 10.6) mit dem Auslass 10.7, der wiederum mit dem ersten Kanal 15 hydraulisch verbunden ist und somit den oberen Stützraum 1. 1.3 mit Öl befüllt.

Gleichzeitig wird der untere Stützraum 1. 1.4 d rucklos geschaltet bzw. mit der U mgebung, d . h . dem Inneren des Kurbelgehäuses hyd raulisch verbunden . Die Enden des Schiebers 3.2 sind ball ig ausgeführt. Damit der Schieber 3.2 bei laufendem Motor bewegt werden kann, gibt es im Kurbelgehäuse ein Stel lelement, das bspw. als Gabel 28 ausgebildet sein kann, wobei der Schieber 3.2 zwischen den beiden Zinken der Gabel 28 aufgenommen ist. In der Figur 10 ist eine solche Gabel 28 schematisch dargestellt. Wenn nun die Gabel 28 bei lau- fender Brennkraftmaschine nach links verfahren wird, dann läuft das rechte ballige Ende des Wegeventils 10 an der rechten Zinke der Gabel 28 an und wird von d ieser nach links bewegt. In umgekehrter Richtung erfolgt die Stellbeweg ung von der nicht dargestel lten zweiten Schaltstell ung in die in Fig ur 10 dargestellte Schaltstel lung, wenn die Gabel 28 von der linken Endposition (nicht dargestel lt) in d ie rechte Endposition verschoben wird .

Damit der Schieber 3.2 seine Schaltstel lung einhält, ist eine federbelastete Kugel 30 vorgesehen, die in eine entsprechende Vertiefung des Schiebers 3.2 einrastet, wenn d ieser eine seiner Schaltstell ungen erreicht hat (siehe Figur 4) .

Fig . 7 zeigt die der Abstützungsfunktion dienenden Bauteile . In der dargestellten Ausgestaltung ist an dem Außend urchmesser 2. 1 .3 des Exzenters 2. 1 mittig eine Verzahnung 2. 1.1 aufgearbeitet. Diese Verzahnung kämmt mit dem Zahnrad 2.4. Das Zahnrad 2.4 ist über eine Achse 2.5 im Pleuelg rundkörper 1.1 d rehbar und mög lichst reibungsarm gelagert. Die Zahnstange 2.2 kämmt mit dem Zahnrad 2.4. Auf diese Weise besteht eine kinematische Kopplung zwischen der Verd rehung des Exzenters 2.1 und der Hubbewegung der Zahn- Stange 2.2. Die Zahnstange 2.2 ist mit der Kolbenstange 2.3 in Hubrichtung steif angebunden, wodurch die Hubbewegungen der Zahnstange 2.2 und der Kolbenstange identisch sind. Die Zahnstange 2.2 wird über die Führungsflä^¬ chen 2.2.2 in der profilierten Nut 1.1.1 im Pleuelgrundkörper 1.1 geführt. Durch diese Art der Linearführung wird die an der Zahnstange 2.2 induzierte Radialkraft im Pleuelgrundkörper 1.1 abgestützt.

Fig. 4 zeigt das Pleuel bei Exzentermittelstellung. Der die Zahnstange 2.2 befindet sich auf der Hälfte ihres Verstellwegs.

Fig. 11 zeigt das Pleuel in einer Stellung nahe der Stellung„minimale Verdichtung".

Fig. 12 zeigt das Pleuel in einer Stellung nahe der Stellung„maximale Verdich- tung". Die an der Zahnstange 2.2 angreifende Kraft in Verfahrrichtung wirkt auf die Kolbenstange 2.3. Der Kolben 2.3.1 trennt die obere Stützkammer 1.1.3 von der unteren Stützkammer 1.1.4. Die beiden Stützkammern sind Teil eines doppelt wirkenden Zylinders 23. Die obere Stützkammer 1.1.3 wird über die Kolbenbuchse 2.6 gegenüber der Umgebung des Pleuels abgedichtet. Die Kolbenbuchse 2.6 ist hier beispielsweise über einen O-Ring 2.6.1 gegenüber dem Pleuelgrundkörper 1.1 gedichtet und mit einem Sicherungsring 2.6.2 fixiert.

Die beiden Stützkammern 1.1.3 und 1.1.4 können wie bereits erläutert mit der Umgebung des Pleuels 1, also dem Kurbelraum des Motors, hydraulisch verbunden werden. Alternativ kann eine Fluidverbindung mit dem Pleuellager des großen Pleuelauges 22 hergestellt werden. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist eine Verschaltung gemäß Fig. 10 vorgesehen. Dabei wird beispielsweise ein 4/2-Wegeventil 10 eingesetzt. Das Wegeventil hat zwei Schaltstellungen und vier Anschlüsse. Die Anschlüsse sind: Tank (Verbindung zum Kurbelraum axial im Schieber), Pumpe (Versorgungsnut), Arbeitsanschluss 1 (Verbindung zur Stützkammer 1, Arbeitsanschluss 2 (Ver^¬ bindung zur Stützkammer 2. Das Ausführungsbeispiel hat zwar 5 Anschlüsse, aber die beiden Austritte in den Kurbelraum können als ein Anschluss gezählt werden, da sie ja letztlich in den selben Raum münden. Das ist nur aus Bau- raumgründen so gemacht. Eine Bohrung 10.1 stellt eine Verbindung her zwischen einer Versorgungsnut 13 und dem Wegeventil 10. In der Bohrung 10.1 befindet sich ein Rückschlagventil 11 (siehe Figur 4), welches ein Zurückströmen von Öl in die Versorgungsnut 13 verhindert. Das Rückschlagventil 11 dient vor allem dazu ein Zurückdrehen des Exzenters unter dem Einfluß gro- ßen Momente zu verhindern. Das Moment aufgrund des Versorgungsöldruckes ist abgesehen von ausgesprochenen Niedriglast- und Niedrigdrehzahlpunkten wesentlich geringer als das Moment, welches durch die Kolbenbolzenkräfte hervorgerufen wird. In einer ersten Schaltstellung des 4/2-Wegeventils wird die untere Stützkammer 1.1.4 mit Öldruck beaufschlagt. Die obere Kammer 1.1.3 ist dabei über den ersten Kanal 15 entlüftet, also mit dem Kurbelraum verbunden.

Da der in der Versorgungsnut anliegende Öldruck stets größer ist als der im Kurbelraum herrschende Druck, wirkt die resultierende Fluidkraft in Richtung der Zahnstange 2.2. In der anderen Schaltstellung des Wegeventils wirkt die resultierende Fluidkraft in entgegengesetzter Richtung. Allerdings ist der Betrag dieser Fluidkraft bei gleichem Öldruck in der Versorgungsnut 13 geringer als in der ersten Ventilschaltstellung, sofern die Kolbenwirkflächen wie in Fig. 13 ausgeführt, betragsmäßig unterschiedlich groß sind.

Diese Fluidkraft bewirkt über den in Fig. 7 dargestellten Mechanismus ein entsprechendes erstes Drehmoment am Exzenter. Infolge der am Kolbenbolzen angreifenden Kräfte entsteht ein zweites Drehmoment, welches sich mit dem ersten Drehmoment überlagert. Je nach momentanem Öldruck in der Versor- gungsnut und momentaner Kraft am Kolbenbolzen entsteht ein entsprechendes resultierendes Drehmoment am Exzenter. Das resultierende Drehmoment am Exzenter bewirkt, dass sich der Exzenter 2.1 in seine Endpositionen dreht und in Folge dessen das VCR zwei verschiedene Werte annimmt.

Vorteile der Erfindung

Geringe Zunahme der Pleuelmasse insbesondere der oszillierenden Masse. Durch den Einsatz einer Zahnstange kann ein der Exzenter 2.1 um bis zu 180° verdreht werden. Dadurch wird zur Darstellung eines bestimmten Variationsbereiches der Pleuellänge eine geringere Exzentrizität benötigt.

Dadurch verringert sich auch das abzustützende Exzentermoment. In Folge dessen kann die Abstützmechanik schwächer dimensioniert werden, was sich letztendlich wieder in einer geringeren Bauteilmasse widerspiegelt. Nutzt man den möglichen Exzenterverdrehbereich voll aus, d.h. im Extremfall 180° Verdrehwinkel, lässt sich noch ein weiterer Vorteil realisieren: In den Exzenterendstellungen muss theoretisch gar kein Exzentermoment mehr abgestützt werden, da der Kolbenbolzen dann genau auf der Verbindungslinie zwischen großem und kleinem Pleuelauge 22, 21 liegt, siehe Fig. 11 und 12. Die Kolbenbolzenkraft wird damit auf direktem Wege in den Pleuelgrundkörper 1.1 eingeleitet, so dass das Pleuel eine ähnlich große Zug- und Drucksteifigkeit aufweist wie ein konventionelles Pleuel.

Infolge der geringen Exzentrizität kann auch der Außendurchmesser 2.1.3 des Exzenters 2.1 klein ausgeführt werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass auch der Pleuelkopf geringere Abmessungen hat. Diesen Effekten zusammen ist zu verdanken, dass in der Nähe des kleinen Pleuelauges 21 entsprechend weniger Masse vorhanden ist, was sich günstig auf die oszillierende Masse auswirkt. Die Zahnstange 2.2 und das Zahnrad 2.4 befinden unterhalb des kleinen Pleuelauges 21 und gehen damit weniger stark in die oszillierende Masse ein. Der Bauraumbedarf insbesondere im Innenbereich des Kolbens ist sehr gering. In der hier vorgeschlagenen Lösung ragt die Zahnstange 2.2 nur wenig über die Silhouette des Pleuelgrundkörpers 1.1 hinaus, wie man an Fig. 12 erken^¬ nen kann.

In Fig. 12 befindet sich der Exzenter 2.1 in der Stellung „hohe Verdichtung". Die Zahnstange 2.2 ist dabei maximal ausgefahren. Dieser günstige Umstand wurde dadurch ermöglicht, indem zwischen dem Exzenter 2.1 und der Zahnstange 2.1 noch ein Zahnrad 2.4 eingefügt worden ist. Auf diese Weise befin- det sich der Zahnstangeneingriffspunkt tiefer als im Falle eines direkten Eingriffes, d.h. wenn die Zahnstange 2.2. direkt mit dem Exzenter kämmen würde. Ein direktes Kämmen ist möglich, aber wegen des Bauraumbedarfs in aller Regel nicht zu empfehlen. Liegen hingegen keine Bauraumrestriktionen in diesem Bereich vor, z.B. im Falle eines Kolbens mit einer vergleichsweise großen Kompressionshöhe, wäre ein direktes Kämmen (also ohne Zwischenrad) vor^¬ teilhaft, weil dadurch die Anzahl der Teile reduziert werden könnte.

Der geringe Bauraumbedarf der vorliegenden Lösung ist hinsichtlich der universellen Einsetzbarkeit des VCR-Pleuels für unterschiedliche Motoren sehr wichtig, da in diesem Falle eine ähnlich große Design-Freiheit wie im Falle eines konventionellen Pleuels besteht.

Aufgrund der relativ einfachen Konstruktion und weil nur wenige Funktionsflä^¬ chen mit geringen Toleranzen gefertigt werden müssen, lässt sich das erfin- dungsgemäße VCR-Pleuel kostengünstig herstellen. Die mechanischen Bearbeitungen am Pleuelgrundkörper, welche im Vergleich zu einem konventionellen Pleuel hinzukommen sind im Wesentlichen die Folgenden:

Die Tasche zur Aufnahme des Zahnrads 2.4 kann mit einem vergleichsweise großen Scheibenfräser hergestellt werden, was hinsichtlich Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß sehr günstig ist. Die Teile der Abstützmechanik, nämlich die Zahnstange 2.2 und das Zahnrad 2.4 können durch kostengünstige Sintertechnik hergestellt werden.

Die Nut 1.1.1 im Pleuelgrundkörper 1.1 kann mittels eines senkrecht dazu lau- fenden Fingerfräsers leicht hergestellt werden.

Abmilderung des unerwünschten Effektes der Zunahme der Verstellzeiten hin zu niedrigen Motordrehzahlen. Dieser negative Effekt tritt bei dieser Konstruktion weniger stark in Erscheinung. Dank der in der Fig. 10 dargestellten hydraulischen Verschaltung wird jeweils eine Seite des doppelt wirkenden Stützzylinders entlüftet, das heißt in Fluidverbindung mit dem Kurbelraum gebracht. Dadurch ruft der an der jeweils anderen Kolbenseite angreifende Öldruck eine Kolbenkraft hervor, die über die Zahnstange 2.2 auf den Exzenter 2.1 wirkt. Diese Kraft ist auch wirksam, wenn nur geringe Fliehkräfte auf das Treibwerk einwirken bei niedrigen Motordrehzahlen. Die unerwünschte Vergrößerung der Verstellzeit nach „hohe Verdichtung" hin zu niedrigen Motordrehzahlen tritt somit schwächer in Erscheinung.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Ansaugen von Luft in die Stützkammern 1.1.3 und 1.1.4 unkritisch, da der Exzenter 2.1 in der Endstellung theoretisch momentenfrei ist und damit eine Lufteinlagerung in der hydraulischen Abstüt- zung ohne weitere Folgen ist. Diese Unempfindlichkeit gegen Lufteinlagerung hat den großen Vorteil, dass die Ölversorgung unterbrochen werden darf und dass eine höhere Austauchgeschwindigkeit des Kolbens 2.3 1. zugelassen werden kann.

Daher ist es auch möglich, Versorgungsnut 13 in der Pleuellagerschale sich nur über einen Winkel von etwa 180° erstrecken muss. Dadurch wird das Pleuella^¬ ger entsprechend weniger in seinem Tragverhalten beeinträchtigt. Zum ande- ren kann die Verstellgeschwindigkeit infolge der höheren zulässigen Austauchgeschwindigkeit gesteigert werden.

Claims

Ansprüche

1. Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend ein großes Pleuelauge (22), ein kleines Pleuelauge (21), wobei in dem kleinen Pleuelauge (21) ein Exzenter (2.1) mit einer exzentrisch zum Außendurchmesser (2.1.3) angeordneten Lagerbohrung (2.1.4) für einen Kolbenbolzen ausgebildet ist, und wobei Mittel zum Verdrehen des Exzenters (2.1) relativ zu der Pleuelstange (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verdrehen des Exzenters (2.1) einen Zahn- Stangentrieb (2.2, 2.1.1, 2.4) und einen mit dem Zahnstangentrieb (2.2,

2.1.1, 2.4) gekoppelten doppeltwirkenden Hydraulikzylinder (23) umfassen, wobei der Zahnstangentrieb (2.2, 2.1.1, 2.4) und der Hydraulikzylinder (23) integraler Teil der Pleuelstange (1) ist. 2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (2.1) eine zu seinem Außendurchmesser (2.1.3 konzentrische Verzahnung (2.1.1) aufweist, die direkt oder mittelbar über ein Zahnrad (2.4) mit der Zahnstange (2.2) kämmt.

3. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zahnstange (2.2) mindestens eine Führungsfläche (2.2.2) ausgebildet ist, welche mit einem komplementär Nut (1.1.1) in der Pleuelstange (1) zusammenwirkt.

4. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (23) eine Kolbenstange (2.3) und einen Kolben (2.3.1) umfasst, und dass die Kolbenstange (2.3) mit der Zahnstange (2.2) gekoppelt ist.

5. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderbohrung (24) des Hydraulikzylinders (23) in der Pleuelstange (1) angeordnet ist.

6. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2.3.1) die Zylinderbohrung (24) in eine obere Stützkammer (1.1.3) und eine untere Stützkammer (1.1.4) teilt, dass die obere Stützkammer (1.1.3) einenends durch eine Kolbenbuchse (2.6) abgedichtet ist, und dass die Kolbenstange (2.3) dichtend durch die

Kolbenbuchse (2.31.) hindurchgeführt ist.

7. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pleuelstange (1) ein erster Kanal (15) zur Ver- sorgung der oberen Stützkammer (1.1.3) und ein zweiter Kanal (12) zur

Versorgung der unteren Stützkammer (1.1.4) ausgebildet ist.

8. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (15) und der zweite Kanal (12) mit der Schmiermittelversorgung des großen Pleuelauges (22) hydraulisch verbunden ist.

9. Pleuelstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem großen Pleuelauge (22) eine Versorgungsnut (13) ausgebildet ist.

10. Pleuelstange nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schmiermittelversorgung des großen Pleuelauges (22) und den Kanälen (12, 15) ein Wegeventil (10) angeordnet ist.

11. Pleuelstange nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (10) einen Eingang (10.6) und mindestens zwei Ausgänge (10.3, 10.2) aufweist, und dass die mindestens zwei Ausgänge (10.3, 10.2) je^¬ weils mit einem der Kanäle (12, 15) hydraulisch verbunden sind.

12. Pleuelstange nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (10) ein Schieberventil und/oder ein 4/2-Wegeventil ist.