AT519798B1

AT519798B1 - Pleuel mit Exzenter

Info

Publication number: AT519798B1
Application number: ATA50297/2018A
Authority: AT
Inventors: Latz Steffen; Heller Malte
Original assignee: Avl List Gmbh; Iwis Motorsysteme Gmbh & Co Kg
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-12-15
Also published as: AT519798A3; AT519798A2; CN108691647A; DE102017107698A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange (6.1) für einen Verbrennungsmotor umfassend eine Pleuelstange (6.1) mit einem ersten Pleuelauge (9.1) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1) und einem zweiten Pleuelauge (8.1) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfen (7.1), eine in einem der Pleuelaugen drehbar angeordnete Exzenterscheibe (17.1) und einen Verriegelungsmechanismus zur Verriegelung der Exzenterscheibe (17.1) in dem Pleuelauge (9.1) in mindestens zwei unterschiedlichen Verdrehstellungen mit mindestens zwei Sperrkonturen (21.1, 22.1) und Sperrelementen (23.1, 24.1), wobei entweder Sperrkonturen (21.1, 22.1) oder Sperrelemente (23.1, 24.1) in radialer Richtung in der Exzenterscheibe (17.1) angeordnet sind und Sperrelemente (23.1, 24.1) bzw. Sperrkonturen (21.1, 22.1) in der Pleuelstange (6.1) angeordnet sind und jeder Sperrkontur (21.1, 22.1) ein Sperrelement (23.1, 24.1) zugeordnet ist. Um eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die unabhängig von Druckschwankungen des Motoröls ist und eine einfache und sichere Ausgestaltung ermöglicht, ist erfindungsgemäß jedes Sperrelement (23.1, 24.1) in Richtung der zugeordneten Sperrkontur (21.1, 22.1) vorgespannt und mittels einer hydraulischen Freigabeeinrichtung (31.1) durch Beaufschlagung mit Motoröl freigebbar, wobei die Sperrkonturen (21.1, 22.1) unterschiedlich ausgebildet sind und die Form der Sperrelemente (23.1, 24.1) der Form der zugehörigen Sperrkontur (21.1, 22.1) entspricht.

Description

PLEUEL MIT EXZENTER [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit einer Pleuelstange mit einem ersten Pleuelauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und mit einem zweiten Pleuelauge zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens, mit einer in einem der beiden Pleuelaugen drehbar angeordneten Exzenterscheibe und mit einem Verriegelungsmechanismus zur Verriegelung der Exzenterscheibe in dem Pleuelauge in mindestens zwei unterschiedlichen Verdrehstellungen mit mindestens zwei Sperrkonturen und mindestens zwei Sperrelementen, wobei entweder die Sperrkonturen oder die Sperrelemente in radialer Richtung an bzw. in der Exzenterscheibe angeordnet sind und die jeweils anderen Elemente, d.h. die Sperrelemente bzw. Sperrkonturen, an bzw. in der Pleuelstange angeordnet sind und jeder Sperrkontur ein Sperrelement zugeordnet ist.

[0002] Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen V_H + Kompressionsvolumen V_c) / Kompressionsvolumen V_c). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.

[0003] In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsgemischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen.

[0004] Für die Realisierung eines solchen variablen Verdichtungsverhältnisses (VOR - variable compression ratio) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Die effektive Länge der Pleuelstange ist der Abstand zwischen der Achse des Kolbenbolzens und der Achse des Kurbelwellenzapfens. Die effektive Länge der Pleuelstange beeinflusst das Kompressionsvolumen. Das Hubvolumen ist durch die Position des Kurbelwellenzapfens und der Zylinderbohrung vorgegeben. Eine kurze effektive Länge der Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange effektive Länge der Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen (Kurbelwelle, Zylinderkopf, Ventilsteuerung, etc.).

[0005] Aus der DE 38 18 357 A1 ist bereits eine Pleuelstangenanordnung bekannt, die eine Veränderung der effektiven Länge der Pleuelstange ermöglicht. Dabei ist im kleinen Pleuelauge der Pleuelstange eine Exzenterscheibe drehbar angeordnet. In der Exzenterscheibe ist der Kolbenbolzen aufgenommen. Durch die Drehung der Exzenterscheibe in dem Pleuelauge wird somit die relative Lage des Kolbens zur Pleuelstange und somit das Verdichtungsverhältnis verändert. In der Pleuelstange sind mindestens zwei Führungen ausgebildet, in denen je ein Blockierstift angeordnet ist. Die Exzenterscheibe weist zwei Blockierlöcher auf, in die je einer der Blockierstifte eingreifen kann. Über Leitungen in der Pleuelstange kann je einer der Blockierstifte mit Motoröl beaufschlagt und in das entsprechende Blockierloch in der Exzenterscheibe geschoben werden. Gleichzeitig wird über eine Nut in der Exzenterscheibe Öl in Richtung des jeweils anderen Blockierstifts gedrückt. Dadurch wird dieser Blockierstift zurückgeschoben und außer Eingriff mit dem zugehörigen Blockierloch gebracht. Die effektive Länge der Pleuelstange kann so in zwei unterschiedlichen Stellungen fixiert werden.

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AT 519 798 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt [0006] Vergleichbare Lösungen zeigen auch JP H061 29272 A, JP H061 37175 A, DE 3018357 A1, DE 10 2011 111 816 A1, DE 10 2004 053225 A1 und US 2,897,804 A.

[0007] Nachteilig an derartigen Lösung ist häufig, dass permanent ein hoher Öldruck aufrecht erhalten werden muss, um die Blockierung der Exzenterscheibe in der gewünschten Position sicherzustellen. Durch die freie Verschiebbarkeit der Blockierstifte reagiert das System sehr stark auf Öldruckschwankungen.

[0008] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt und insbesondere unabhängig von Öldruckschwankungen eine sichere Längeneinstellung der Pleuelstange ermöglicht.

[0009] Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jedes Sperrelement in Richtung der zugeordneten Sperrkontur vorgespannt ist und mittels einer hydraulischen Freigabeeinrichtung durch eine Beaufschlagung mit Motoröl freigebbar ist, wobei die Sperrkonturen unterschiedlich ausgebildet sind und die Form der Sperrelemente der Form der zugehörigen Sperrkontur entspricht.

[0010] Durch die hydraulische Freigabeeinrichtung wird ein gutes NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) erzielt und eine einfache, platzsparende Aktivierung ermöglicht. Das System ist im Wesentlichen unabhängig von Öldruckschwankungen, der Kraftfluss erfolgt direkt von der Exzenterscheibe auf die Pleuelstange, der benötigte Systemdruck ist geringer und das System reagiert unsensibel auf Öl-Leckagen.

[0011] In einer einfachen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass jedes Sperrelement mit einer Feder in Richtung der zugeordneten Sperrkontur vorgespannt ist.

[0012] Es kann ferner vorgesehen sein, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung derart ausgebildet ist, dass jedes der Sperrelemente separat durch eine Erhöhung des Öldrucks des Motoröls freigebbar ist. Das jeweilige Sperrelement wird dann durch die Freigabeeinrichtung mit Motoröl beaufschlagt und entgegen der Vorspannkraft von der Sperrkontur weg verschoben. War dieses Sperrelement das aktuell aktive, so dreht sich die Exzenterscheibe durch die wirkenden Beschleunigungs-, Zug- und Druckkräfte im Pleuelauge, bis der andere Sperrmechanismus einrastet. War der angesprochene Sperrmechanismus der inaktive, so geschieht nichts. Beim Umschalten der Pleuellänge muss das angesteuerte Sperrelement nur so lange ausgeschaltet werden, bis das andere Sperrelement einrastet. Danach kann der Hydraulikdruck auf das Sperrelement wieder abnehmen. Somit kann der Druckverlust beispielsweise durch Leckagen reduziert werden.

[0013] Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung derart ausgebildet ist, dass beide Sperrelemente zusammen durch einen gemeinsamen Druckimpuls freigebbar sind. Durch den Druckimpuls werden beide Sperrelemente gleichzeitig kurz gelöst. Durch die wirkenden Beschleunigungs-, Zug- und Druckkräfte dreht sich die Exzenterscheibe dann im Pleuelauge. Nach Abklingen des Druckimpulses sind beide Sperrelemente wieder eingeschaltet, d.h. vorgespannt. Das Sperrelement, das zuerst auf seine jeweilige Sperrkontur trifft, rastet ein. Es rastet also zufällig eines der Sperrelemente ein. Es muss dann detektiert werden, ob die gewünschte effektive Länge der Pleuelstange vorliegt und gegebenenfalls erneut geschaltet werden. Dabei muss also jede Pleuelstange im Motor separat angesteuert werden können.

[0014] In noch einer weiteren Variante kann vorgesehen werden, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung ein hydraulisches 3/2-Wegeventil umfasst, über das je eines der Sperrelemente mit Motoröl beaufschlagt wird. Dadurch wird eine einfache und sichere Ausgestaltung der Freigabeeinheit ermöglicht.

[0015] Vorteilhafterweise kann das hydraulische 3/2-Wegeventil hydraulisch, mechanisch oder elektrisch betätigt sein. Dadurch wird eine einfache und sichere Ausgestaltung ermöglicht.

[0016] In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Überdruckventil in

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Strömungsrichtung vor der hydraulischen Freigabeeinrichtung angeordnet ist. Es können auch mehrere Überdruckventile vorgesehen sein. Dadurch kann die Steuerung vor Öldruckschwankungen geschützt werden und es kann eine Schaltschwelle festgelegt werden.

[0017] In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Exzenterscheibe derart im Pleuelauge gelagert ist, dass eine Drehung der Exzenterscheibe nur in eine Richtung möglich ist. Dies kann beispielsweise durch ein Sperrklinkensystem, eine Ratsche oder einen Freilauf geschehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nach Freigabe des oder der Sperrelemente das gewünschte Sperrelement in die zugehörige Sperrkontur greift.

[0018] Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Sperrkonturen und die zugehörigen Sperrelemente axial beanstandet zueinander angeordnet sind. Sowohl die beiden Sperrkonturen als auch die jeweiligen Sperrelemente weisen somit einen axialen Abstand voneinander auf. Somit kann jedes der Sperrelemente nur auf genau die zugeordnete Sperrkontur wirken. Es ist jeweils nur ein Sperrmechanismus aktiv. D.h. in einer ersten gesperrten Stellung der Exzenterscheibe ist der erste Sperrmechanismus aktiv, in der zweiten Stellung der zweite Sperrmechanismus. Der jeweils andere Sperrmechanismus ist inaktiv. Es wird eine sichere Verriegelung der Exzenterscheibe in der jeweils gewünschten Stellung ermöglicht, so dass die gewünschte effektive Länge der Pleuelstange eingestellt ist.

[0019] Ferner kann auch vorgesehen werden, dass die beiden Sperrkonturen eine unterschiedliche Form aufweisen und die zugehörigen Sperrelemente komplementär zur entsprechenden Sperrkontur ausgebildet sind. Durch dieses Schlüssel-Schloss-Prinzip kann jedes Sperrelement nur in die zugehörige Sperrkontur eingreifen. Beispielsweise kann die eine Sperrkontur V-förmig nach vorne, die andere V-förmig nach hinten gepfeilt sein. Auch hierdurch wird wieder eine sichere Verriegelung der Exzenterscheibe in der jeweils gewünschten Stellung ermöglicht, sodass die gewünschte effektive Länge der Pleuelstange eingestellt wird.

[0020] In noch einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass sich die Sperrelemente an ihrem der Sperrkontur zugewandten Ende verjüngen. Die Sperrelemente können beispielsweise keil- oder kegelförmig sein. Dadurch legen sich die Sperrelemente spielfrei in die Sperrkonturen, der Verschleiß wird reduziert.

[0021] Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die erste Sperrkontur mit dem zugehörigen Sperrelement die Pleuelstange in einer Minimalposition arretiert. Dadurch wird die minimale Länge der Pleuelstange und somit eine minimale Verdichtung eingestellt. Dies ist bei hohen Motorlasten erwünscht.

[0022] Zudem kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Sperrkontur mit dem zugehörigen Sperrelement die Pleuelstange in einer Maximalposition arretiert. Dadurch wird die maximale Länge der Pleuelstange und somit eine maximale Verdichtung eingestellt. Dies ist bei niedrigen Motorlasten erwünscht.

[0023] Es kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Sperrkonturen und entsprechend mehrere zugehörige Sperrelemente vorgesehen sind. Die effektive Länge der Pleuelstange kann dann in mehreren unterschiedlichen Positionen verriegelt werden.

[0024] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

[0025] Figur 1:	einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor,
[0026] Figur 2:	eine Pleuelstange aus Fig. 1,
[0027] Figur 3:	ein Pleuelauge der Pleuelstange aus Figur 2 mit einer darin angeordneten Exzenterscheibe in Seitenansicht, und
[0028] Figur 4:	Freigabeeinrichtung für die Exzenterscheibe der Pleuelstange aus Figur 2 und 3.

[0029] In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1, 2.2, 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkol3/12

AT 519 798 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt ben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 jeweils mit den zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2, 7.3 auf. Jede Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3 weist ein großes Pleuelauge 8.1, 8.2, 8.3 und ein kleines Pleuelauge 9.1, 9.2, 9.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1, 8.2, 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2, 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1, 9.2, 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2, 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 schwenkbar verbunden.

[0030] Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2, 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg H_Kvor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1, 2.2, 2.3 angeordnet ist. Der linke Hubkolben 3.1 ist in Fig. 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der mittlere Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg H_K. Die verbleibende Höhe H_c (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2, 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2, 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg H_K das Hubvolumen V_H und aus der verbleibenden Kompressionshöhe H_c errechnet sich das Kompressionsvolumen V_c. Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen V_c maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen V_Hund V_c berechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε. ε errechnet sich aus der Summe des Hubvolumens V_H und des Kompressionsvolumens V_c dividiert durch das Kompressionsvolumen V_c. Heute übliche Werte für das Verdichtungsverhältnis von Ottomotoren ε liegen zwischen 10 und

14.

[0031] Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (Drehzahl n, Temperatur T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind die Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass ihre effektive Länge verstellbar ist. Die effektive Länge der Pleuelstange 6.1, 6.2, 6.3 ist der Abstand von der Längsachse des Kolbenbolzens 10.1, 10.2, 10.3 zur Längsachse des jeweiligen Kurbelwellenzapfens

7.1, 7.2, 7.3. Durch die Längenverstellung kann z.B. im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.

[0032] Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1, 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt.

[0033] In Figur 1 sind die Pleuelstangen 6.1, 6.2, 6.3 nur schematisch dargestellt. In Fig. 2 ist beispielhaft die Pleuelstange 6.1 detaillierter dargestellt. Die Pleuelstange 6.1 ist identisch zu den beiden anderen Pleuelstangen 6.2, 6.3 ausgestaltet. Die folgende Beschreibung gilt daher entsprechend für alle Pleuelstangen. Die Pleuelstange 6.1 umfasst ein kleines Pleuelauge 9.1 und ein großes Pleuelauge 8.1. Üblicherweise ist die Pleuelstange 6.1 im Bereich des großen Pleuelauges 8.1 geteilt bzw. zweiteilig ausgebildet. In Fig. 1 ist das große Pleuelauge 8.1 der Pleuelstange 6.1 der Einfachheit halber einteilig gezeigt. Im kleinen Pleuelauge 9.1 ist der Kolbenbolzen 10.1 gelagert. Zwischen dem Kolbenbolzen 10.1 und dem kleinen Pleuelauge 9.1 ist eine Exzenterscheibe 17.1 angeordnet. Die Exzenterscheibe ist in dem kleinen Pleuelauge

9.1 drehbar gelagert. An ihrem Umfang ist die Exzenterscheibe 17.1 mit Rampen 18.1 versehen. An der Pleuelstange 6.1 ist im Bereich des kleinen Pleuelauges 9.1 eine Sperrklinke 19.1 schwenkbar gelagert. Die Sperrklinke 19.1 wird mit einer Feder 20.1 gegen die Exzenterscheibe gedrückt und greift in die Rampen 18.1 ein. Durch die Rampen 18.1 und die Sperrklinke 19.1 wird ein Rampen- bzw. Sperrklinkensystem ausgebildet, dass eine Drehung der Exzenterschei

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AT 519 798 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt be 17.1 nur in eine Richtung zulässt. Dieses Sperrklinkensystem ist optional und muss nicht unbedingt vorhanden sein.

[0034] Es ist ferner einen Verriegelungsmechanismus vorgesehen, mit dem die Exzenterscheibe 17.1 in mindestens zwei verschiedenen Positionen in der Pleuelstange 6.1 verriegelt werden kann. Dieser Verriegelungsmechanismus weist eine erste Sperrkontur 21.1 und eine zweite Sperrkontur 22.1 auf. Die erste Sperrkontur 21.1 und die zweite Sperrkontur 22.1 sind als Vertiefungen in der Exzenterscheibe 17.1 ausgebildet, die sich ausgehend vom Umfang der Exzenterscheibe 17.1 in radialer Richtung nach innen erstrecken. Die beiden Sperrkonturen 21.1,

22.1 sind an unterschiedlichen Stellen des Umfangs der Exzenterscheibe 17.1 angeordnet. An der Pleuelstange 6.1 sind ferner ein erstes Sperrelement 23.1 und ein zweites Sperrelement

24.1 angeordnet. Das erste Sperrelement 23.1 ist der ersten Sperrkontur 21.1 zugeordnet, das zweite Sperrelemente 24.1 ist der zweiten Sperrkontur 22.1 zugeordnet. Dies bedeutet, dass jedes Sperrelement 23.1, 24.1 nur in die jeweils zugeordnete Sperrkontur 21.1, 22.1 eingreifen kann. Dies kann zum Beispiel nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erfolgen. Dabei sind die beiden Sperrkonturen 21.1, und 22.1 unterschiedlich ausgebildet, d.h. sie weisen eine unterschiedliche Form auf. Die Form der Sperrelemente 23.1, 24.1 entspricht der Form der zugehörigen Sperrkontur 21.1, 22.1. Jedes Sperrelemente 23.1, 24.1 kann daher nur in die zugehörige Sperrkontur 21.1, 22.1 eingreifen. Die Form der Sperrelemente bzw. Sperrkonturen verhindert, dass die Sperrelemente 23.1, 24.1 in die jeweils andere Sperrkontur 22.1, 21.1 eingreifen können. Es kann auch oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Sperrkonturen 21.1, 22.1 und die zugehörigen Sperrelemente 23.1, 24.1 in Richtung der Längsachse des Kolbenbolzens 10.1 mit Abstand zueinander angeordnet sind. Dies ist in Fig. 3 dargestellt.

[0035] Jedes der Sperrelemente 23.1, 24.1 ist mittels einer Feder 25.1, 26.1 vorgespannt und wird durch die jeweilige Feder 25.1, 26.1 auf die Exzenterscheibe 17.1 in Richtung der jeweiligen Sperrkontur 21.1, 22.1 gedrückt. Die Sperrelemente 23.1, 24.1 werden in einer ersten und einer zweiten Führung 27.1, 28.1 geführt, die in der Pleuelstange 6.1 ausgebildet sind. Dies können beispielsweise zylindrische Bohrungen sein. Über eine erste und eine zweite Ölzuführung 29.1, 30.1 können die Sperrelemente 23.1, 24.1 mit Motoröl beaufschlagt werden und entgegen der Vorspannung, d.h. der Federkraft der Federn 25.1, 26.1, von der Exzenterscheibe

17.1 wegbewegt werden. Im dargestellten Fall sind die beiden Sperrelemente 23.1, 24.1 zylindrisch und verjüngen sich an ihrer zu Exzenterscheibe 17.1 weisenden Spitze. Dadurch können die Sperrelemente 23.1, 24.1 spielfrei in die zugehörige Sperrkontur 21.1, 22.1 eingreifen, der Verschleiß wird vermindert. Die Sperrelemente können auch eine andere Form aufweisen und beispielsweise keilförmig sein. Vorteilhaft ist ist, dass sich die Sperrelemente zu ihrer Spitze hin verjüngen, sodass ein spielfreier Eingriff in die Sperrkontur möglich und dadurch der Verschleiß verringert wird.

[0036] Befindet sich das erste Sperrelement 23.1 in Eingriff mit der zugehörigen Sperrkontur

21.1, so weist der dicke Bereich der Exzenterscheibe 17.1 zum großen Pleuelauge 8.1. Die Exzenterscheibe 17.1 ist dann so im kleinen Pleuelauge 9.1 bzw. in der Pleuelstange 6.1 verriegelt, dass eine große effektive Länge der Pleuelstange 6.1 eingestellt ist. Dadurch wird eine hohe Verdichtung erzielt. Befindet sich das zweite Sperrelement 24.1 in Eingriff mit der zugehörigen zweiten Sperrkontur 22.1, so weist die dünne Seite der Exzenterscheibe 17.1 zum großen Pleuelauge 8.1 und die Pleuelstange 6.1 ist in einer kurzen Stellung verriegelt. Hierdurch wird eine geringere Verdichtung erzielt. Es ist auch denkbar, mehr als zwei Sperrelemente mit zugehörigen Sperrkonturen vorzusehen. Die Pleuelstange könnte dann in mehreren verschiedenen Längenpositionen verriegelt werden.

[0037] Im großen Pleuelauge 8.1 ist der Kurbelwellenzapfen 7.1 gelagert (nicht dargestellt). Es wäre auch denkbar, dass die Exzenterscheibe im großen Pleuelauge 8.1 drehbar gelagert ist und den Kurbelwellenzapfen aufnimmt. Die oben beschriebenen Vorrichtungen wären dann an der Pleuelstange im Bereich des großen Pleuelauges angeordnet.

[0038] Fig. 3 zeigt nur den oberen Bereich der Pleuelstange 6.1 aus Figur 2. Es ist nur der Bereich der Pleuelstange 6.1 gezeigt, in dem das kleine Pleuelauge 9.1 ausgebildet ist, sowie

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AT 519 798 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt die im kleinen Pleuelauge 9.1 gelagerte Exzenterscheibe 17.1 und der Verriegelungsmechanismus. Wie bereits beschrieben, ist Exzenterscheibe 17.1 drehbar im kleinen Pleuelauge 9.1 gelagert und nimmt den Kolbenbolzen 10.1 auf. Im äußeren Bereich der Exzenterscheibe 17.1 sind die Rampen 18.1 des Sperrklinkenmechanismus angeordnet. An der Pleuelstange 6.1 sind die beiden Sperrelemente 23.1, 24.1 angeordnet, die mittels der Federn 25.1, 26.1 auf die Exzenterscheibe 17.1 in Richtung der zugehörigen Sperrkonturen (nicht dargestellt) gedrückt werden. Die Sperrelemente 23.1, 24.1 sind in Richtung der Längsachse L des Kolbenbolzens

10.1 beanstandet zueinander angeordnet und weisen einen Abstand A voneinander auf.

[0039] Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 4 die Funktion des Verriegelungsmechanismus genauer beschrieben. Der Einfachheit halber ist die Pleuelstange weggelassen und nur die Exzenterscheibe 17.1 mit dem Verriegelungsmechanismus gezeigt. Wie bereits beschrieben, sind in der Exzenterscheibe 17.1 eine erste Sperrkontur 21.1 und eine zweite Sperrkontur 22.1 ausgebildet. An der Pleuelstange sind ein erstes Sperrelement 23.1 und ein zweites Sperrelement 24.1 angeordnet. Die beiden Sperrelemente 23.1, 24.1 sind mittels je einer ersten und einer zweiten Feder 25.1, 26.1 vorgespannt und werden durch die Federkraft in Richtung der Exzenterscheibe 17.1 gedrückt. Befindet sich nun eine der Sperrkonturen 21.1, 22.1 gegenüber des zugehörigen Sperrelements 23.1, 24.1, so wird das jeweilige Sperrelement 23.1, 24.1 in die zugehörige Sperrkontur 21.1, 22.1 gedrückt. Dadurch wird die Exzenterscheibe 17.1 in dieser Position verriegelt. Die Pleuelstange 6.1 ist daher in einer bestimmten effektiven Länge verriegelt. Soll nun die effektive Länge der Pleuelstange 6.1 verändert werden, so muss das aktive Sperrelemente 23.1,24.1 freigegeben werden.

[0040] Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. In einer ersten Ausführungsform ist eine Freigabeeinrichtung 31.1 vorgesehen. Es kann sich dabei zum Beispiel um ein 3/2-Wegeventil handeln. Bekommt die Freigabeeinrichtung 31.1 beispielsweise überein Steuerventil 32.1 einen Schaltimpuls, so wird eines der beiden Sperrelemente 23.1, 24.1 mit Motoröl beaufschlagt. Dadurch wird dieses Sperrelement 23.1, 24.1 entgegen der Kraft der Feder 25.1, 26.1 verschoben. War dieses Sperrelement das inaktive Sperrelement 24.1, 23.1, so passiert nichts. Wird hingegen das aktive Sperrelement 23.1, 24.1 mit Motoröl beaufschlagt, so wird es aus der entsprechenden Sperrkontur 21.1, 22.1 geschoben und die Exzenterscheibe 17.1 wieder freigegeben. Durch die im Betrieb herrschenden Beschleunigungs-, Zug- und Druckkräfte in der Pleuelstange 6.1 dreht sich die Exzenterscheibe 17.1, bis das bisher inaktive Sperrelement

24.1, 23.1 in die zugehörige Sperrkontur 22.1, 21.1 eingreift und die Exzenterscheibe 17.1 in der anderen Position in der der Pleuelstange 6.1 verriegelt. Die Pleuelstange 6.1 ist dadurch in der anderen effektiven Länge verriegelt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass vor der Freigabeeinrichtung 31.1 ein Überdruckventil 33.1 angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine Schaltschwelle festlegen, um die Steuerung vor Druckschwankungen zu schützen. Es können auch mehrere Überdruckventile vorgesehen sein.

[0041] In einer zweiten Ausführungsform kann die Exzenterscheibe 17.1 freigegeben werden, indem ein kurzer Druckimpuls gleichzeitig auf beide Sperrelemente 23.1, 24.1 gegeben wird. Beide Sperrelemente 23.1, 24.1 werden also kurzzeitig mit Motoröl beaufschlagt. Hierdurch werden beide Sperrelemente 23.1, 24.1 kurzzeitig gelöst. Durch die im Betrieb herrschenden Beschleunigungs-, Zug- und Druckkräfte in der Pleuelstange 6.1 dreht sich die Exzenterscheibe

17.1 weiter. Nach Abklingen des Druckimpulses sind beide Sperrelemente 23.1, 24.1 wieder eingeschaltet und werden durch die Kraft der Federn 25.1, 26.1 wieder auf die Exzenterscheibe

17.1 gedrückt. Es rastet nun zufällig das Sperrelemente 23.1, 24.1 ein, das zuerst auf seine jeweilige Sperrkontur 21.1, 22.1 trifft. Es muss nun detektiert werden, ob die gewünschte Pleuelstellung vorliegt und gegebenenfalls erneut geschaltet werden. In diesem Fall muss jede Pleuelstange im Motor separat angesteuert werden können. Durch das Sperrklinkensystem, das die Drehrichtung der Exzenterscheibe 17.1 vorgibt, kann gesteuert geschalten werden, wenn die Dauer des Druckimpulses kurz ist im Verhältnis zur Dauer der Drehung des Pleuels zwischen den beiden Schaltpositionen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

I 2.1.2.2, 2.3 3.1, 3.2, 3.3 4 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 6.1.6.2, 6.3 7.1, 7.2, 7.3 8.1, 8.2, 8.3 9.1, 9.2, 9.3 10.1, 10.2, 10.3 II 12 13 14 15 16 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1

Verbrennungsmotor Zylinder Hubkolben Kurbelwelle Kurbelwellenlager Pleuelstange Kurbelwellenzapfen großes Pleuelauge kleines Pleuelauge Kolbenbolzen Kurbelwellenketterad Steuerkette Nockenwellenkettenrad Nockenwelle Spannschiene Kettenspanner Exzenterscheibe Rampen Sperrklinke Feder erste Sperrkontur zweite Sperrkontur erstes Sperrelement zweites Sperrelement erste Feder zweite Feder erste Führung zweite Führung erste Ölzuführung zweite Ölzuführung Freigabeeinrichtung Steuerventil Überdruckventil

v_hv_cH_cH_Kε n T L A

Hubvolumen Kompressionsvolumen Kompressionshöhe Hubweg Verdichtungsverhältnis Drehzahl Temperatur Längsachse Kolbenbolzen Abstand Sperrelemente

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Claims

1. Vorrichtung zur Verstellung der effektiven Länge einer Pleuelstange (6.1,6.2, 6.3) für einen Verbrennungsmotor umfassend:

eine Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) mit einem ersten Pleuelauge (9.1, 9.2, 9.3) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1, 10.2, 10.3) und mit einem zweiten Pleuelauge (8.1, 8.2, 8.3) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1, 7.2, 7.3), eine in einem der beiden Pleuelaugen drehbar angeordnete Exzenterscheibe (17.1) und einen Verriegelungsmechanismus zur Verriegelung der Exzenterscheibe (17.1) in dem Pleuelauge (9.1) in mindestens zwei unterschiedlichen Verdrehstellungen mit mindestens zwei Sperrkonturen (21.1, 22.1) und mindestens zwei Sperrelementen (23.1, 24.1), wobei entweder die Sperrkonturen (21.1, 22.1) oder die Sperrelemente (23.1, 24.1) in radialer Richtung an der Exzenterscheibe (17.1) angeordnet sind und die Sperrelemente (23.1, 24.1) bzw. die Sperrkonturen (21.1, 22.1) an der Pleuelstange (6.1) angeordnet sind und jeder Sperrkontur (21.1, 22.1) ein Sperrelement (23.1, 24.1) zugeordnet ist, wobei jedes Sperrelement (23.1, 24.1) in Richtung der zugeordneten Sperrkontur (21.1, 22.1) vorgespannt ist und mittels einer hydraulischen Freigabeeinrichtung (31.1) durch Beaufschlagung mit Motoröl freigebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkonturen (21.1, 22.1) unterschiedlich ausgebildet sind und die Form der Sperrelemente (23.1, 24.1) der Form der zugehörigen Sperrkontur (21.1, 22.1) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sperrelement (23.1, 24.1) mit einer Feder (25.1, 26.1) in Richtung der zugeordneten Sperrkontur (21.1, 22.1) vorgespannt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung (31.1) derart ausgebildet ist, dass jedes der Sperrelemente (23.1,24.1) einzeln durch eine Erhöhung des Öldrucks freigebbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung (31.1) derart ausgebildet ist, dass beide Sperrelemente (23.1, 24.1) gleichzeitig durch einen gemeinsamen Druckimpuls des Motoröls freigebbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Freigabeeinrichtung (31.1) ein hydraulisches 3/2-Wegeventil umfasst, über das je eines der Sperrelemente (23.1,24.1) mit Motoröl beaufschlagt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische 3/2Wegeventile hydraulisch, mechanisch oder elektrisch betätigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruckventil (33.1) in Strömungsrichtung vor der hydraulischen Freigabeeinrichtung (31.1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterscheibe (17.1) derart im Pleuelauge (9.1) gelagert ist, dass eine Drehung der Exzenterscheibe (17.1) nur in eine Richtung möglich ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sperrkonturen (21.1, 22.1) und die zugehörigen Sperrelemente (23.1, 24.1) jeweils axial beanstandet zueinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sperrkonturen (21.1, 22.1) eine unterschiedliche Form aufweisen und die zugehörigen Sperrelemente (23.1, 24.1) komplementär zur entsprechenden Sperrkontur (21.1, 22.1) ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sperrelemente (23.1, 24.1) an ihrem der Sperrkontur (21.1, 22.1) zugewandten Ende verjüngen.

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sperrkonturen (22.1) mit dem zugehörigen Sperrelement (24.1) die Pleuelstange (6.1) in einer minimalen Position verriegelt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Sperrkontur (21.1) mit dem zugehörigen Sperrelement (23.1) die Pleuelstange (6.1) in einer maximalen Position verriegelt.