EP2764228B1

EP2764228B1 - Verfahren zum variablen einstellen eines verdichtungsverhältnisses eines brennraums einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP2764228B1
Application number: EP20120756109
Authority: EP
Inventors: Dieter Nowak; Tilmann RÖMHELD; Michael Wagenplast
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: EP2764228A1; WO2013050098A1; JP2014530319A; CN103874836A; DE102011115415A1; US20150040870A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 10 2009 048 172 A1 offenbart einen Kolben für eine ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisende Verbrennungskraftmaschine, mit einem ersten Kolbenteil und einem zweiten Kolbenteil. Die Kolbenteile sind unter Ausbildung einer zumindest ersten, mit einem Druckmedium, insbesondere einem Druckfluid, beaufschlagbaren und in ihrem Volumen veränderbaren Kammer relativ zueinander bewegbar gekoppelt. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine schaltbare Ventileinrichtung innenseitig an einem Kolbenhemd des Kolbens angeordnet ist, mittels welcher ein Volumen des Druckmediums in der ersten Kammer einstellbar ist.
Die WO2010/124971 zeigt eine Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, welcher über einen Kolbenbolzen schwenkbar mit einer Pleuelstange verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager des Kolbens, als auch in einem Pleuellager der Pleuelstange gelagert ist, wobei der Kolbenbolzen in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers und/oder des Pleuellagers einen Exzenter aufweist, und wobei der Kolbenbolzen durch eine Drehvorrichtung drehbar ist. Es ist vorgesehen, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder gebildet ist und dass der Kolbenbolzen entgegen der Kraft der Drehfeder aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist.
Weiterhin zeigen die EP 219 634 A2 , die EP 297 904 A2 , die US 4 687 348 A , die US 5 427 185 A und die DE 10 2005 055199 A1 Verbindungen zwischen Kolben und Pleuelstangen bei Brennkraftmaschinen, wobei die Verbindung aus einem zumindest über einen Teil seiner Längserstreckung exzentrisch ausgeführten Kolbenbolzen besteht. Eine Drehbewegung des Kolbenbolzens bewirkt eine Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine und wird durch ein schaltbares Sperrelement ermöglicht oder verhindert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mittels welchem eine besonders einfache Einstellung bzw. Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem solchen Verfahren zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums, insbesondere eines Zylinders, einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine wird das Verdichtungsverhältnis mittels einer Einrichtung eines dem Brennraum zugeordneten Kolbens eingestellt bzw. verstellt. Der Kolben ist über jeweilige Verbindungsbereiche mit einem Kolbenbolzen gekoppelt. Über den Kolbenbolzen kann der Kolben mit einem Pleuel der Verbrennungskraftmaschine verbunden werden.
Der Kolbenbolzen ist in den jeweiligen Verbindungsbereichen beispielsweise in dem Kolben aufgenommen. Ebenso ist der Kolbenbolzen zumindest bereichsweise in den Pleuel aufgenommen. Durch die gelenkige Kopplung des Kolbens über den Kolbenbolzen mit dem Pleuel kann der Kolben gelenkig mit einer in einem Kurbelgehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt werden. So können translatorische Bewegungen des Kolbens in dem Brennraum relativ zu dem Brennraum in einer rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um die Drehachse umgewandelt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eine Drehung des der Einrichtung zugeordneten Kolbenbolzens bewirkt wird. Der Kolbenbolzen weist dabei wenigstens ein bezogen auf den zumindest einen Verbindungsbereich des Kolbenbolzens exzentrisch angeordnetes Exzenterelement auf, über das der Kolbenbolzen mit dem Pleuel zu verbinden ist.
Wird das zumindest bereichsweise in dem Pleuel aufgenommene und zumindest im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisende Exzenterelement um dessen Längsmittelachse relativ zu dem Pleuel gedreht und wird der in den Verbindungsbereichen des Kolbenbolzens und des Kolbens zumindest teilweise in dem Kolben aufgenommene Kolbenbolzen um die Längsmittelachse des zumindest im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisenden Verbindungsbereichs des Kolbenbolzens relativ zum Kolben gedreht, so wird dadurch infolge der exzentrischen Anordnung des Exzenterelements zu dem Verbindungsbereich des Kolbenbolzens der Abstand des Kolbens von der Drehachse der Kurbelwelle sowie der Abstand des Kolbens von einem Brennraumdach des Brennraums in Längserstreckungsrichtung des Pleuels verändert. Dies geht einher mit der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses des Brennraums. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine einfache, unkomplexe sowie kosten- und bauraumgünstige Verstellung des Verdichtungsverhältnisses. Zudem ist die Entstehung von unerwünschten Geräuschen bei dem Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses vermieden. Der Kolben weist somit ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten (NVH-Verhalten) auf. Darüber hinaus ist es möglich, eine herkömmliche Verbrennungskraftmaschine, bei der ein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses nicht möglich ist, auf einfache und kostengünstige Weise mit der Einrichtung zu versehen und ohne oder mit nur geringfügigen Änderungen des Kolbens der herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine zu einer Verbrennungskraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis zu ergänzen, bei welcher das erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine mit dem variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnis einen besonders hohen Gleichteilanteil zu der herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die sehr schnelle Verstellung des Verdichtungsverhältnisses, so dass das Verdichtungsverhältnis innerhalb einer nur geringen Zeit an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann. So kann die Verbrennungskraftmaschine über einen besonders langen Zeitraum effizient mit dem bedarfsgerechten Verdichtungsverhältnis betrieben werden, was zu einem effizienten und kraftstoffarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit nur geringen Emissionen zugute kommt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Bewirken der Drehung wenigstens ein an dem Kolbenbolzen gehaltenes Sperrelement der Einrichtung von einer die Drehung verhindernden Sperrstellung in eine die Drehung ermöglichende Freigabestellung relativ zu dem Kolbenbolzen und relativ zu dem Kolben bewegt wird. Dadurch erfolgt die Drehung des Kolbenbolzens relativ zu dem Kolben in Folge von Flieh- und/oder Massenkräften des sich im Brennraum bewegenden Kolbens und/oder in Folge von Druckkräften in dem Brennraum. Dies bedeutet, dass aktive Stellglieder zum Drehen des Kolbenbolzens relativ zum Kolben nicht vorgesehen und nicht vonnöten sind. Die Drehung des Kolbenbolzens relativ zum Kolben erfolgt vielmehr passiv. Dies hält das Gewicht und die Komplexität der Verbrennungskraftmaschine gering, so dass dieser eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit aufweist.
Um diese passive Verstellung des Kolbens relativ zum Pleuel und damit die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses zu unterstützen, ist vorgesehen, dass ein dem Brennraum und dem Kolben zugeordneter Kurbelraum des Kurbelgehäuses mittels wenigstens eines Stellelements gegenüber wenigstens einen sich an den Kurbelraum anschließenden weiteren Raum, insbesondere Kurbelraum, des Kurbelgehäuses abgedichtet wird. Dies erfolgt derart, dass das Stellelement von einer ersten Stellung in eine den Kurbelraum im Vergleich zu der ersten Stellung gegen den weiteren Raum abdichtende zweite Stellung verstellt wird. Durch die Abdichtung des Kurbelraums gegen den weiteren Raum wird der in dem Kurbelraum herrschende Druck erhöht, welcher die Verstellung des Kolbens relativ zum Pleuel verursacht.
Das Stellelement ist beispielsweise ein Schmierölabweiser in dem Kurbelraum. Der Schmierölabweiser ist schaltbar und zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgeführt, so dass der Schmierölabweiser den Kurbelraum zumindest im Wesentlichen abdichten kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels des Stellelements wenigstens eine Ventilationsöffnung des Kurbelraums zumindest im Wesentlichen versperrbar und demgegenüber freigebbar ist. In der zweiten Stellung des Stellelements ist die Ventilationsöffnung gegenüber der ersten Stellung des Stellelements versperrt und somit zumindest im Wesentlichen gasdicht geschaltet, was zur Erhöhung des Drucks in dem Kurbelraum der ersten Stellung führt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Stellelement selbstständig von der zweiten in die erste Stellung verstellt, wenn der Druck in dem Kurbelraum einen Schwellenwert überschreitet. Dadurch kann ein unerwünscht hoher Druckaufbau in dem Kurbelraum vermieden werden.
Die selbstständige Verstellung des Stellelements ist beispielsweise derart realisiert, dass ein mit dem Stellelement zusammenwirkendes Federelement vorgesehen ist. Das Stellelement ist dabei unter Federkraftbeaufschlagung durch das Federelement in der zweiten Stellung gehalten. Erreicht oder überschreitet der Druck in dem Kurbelraum den vorgebbaren Schwellenwert, so wird das Stellelement durch den Druck entgegen der Federkraftbeaufschlagung durch das Federelement von der zweiten Stellung in die erste Stellung verstellt. In der ersten Stellung kann der Kurbelraum entlüftet werden, so dass der Druck in dem Kurbelraum abgebaut wird. So sinkt der Druck in dem Kurbelraum unter dem Schwellenwert, so wird das Stellelement unter Federkraftbeaufschlagung durch das Federelement wieder in seine Stellung verstellt, in welcher der Kurbelraum im Vergleich zu ersten Stellung gegen den weiteren Raum abgedichtet ist.
Durch die Verstellung des wenigstens einen Stellelements kann der Druck in dem Kurbelraum bedarfsgerecht für die Einstellung bzw. Verstellung des Verdichtungsverhältnisses angepasst und angesteuert, insbesondere geregelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Ausgleichswelle, insbesondere eines Lanchester-Massenausgleich, der Verbrennungskraftmaschine als Schaltwalze genutzt wird, um einen unerwünscht hohen Druck in dem Kurbelraum zu vermeiden. Auch dadurch ist die bedarfsgerechte Einstellung des Drucks in dem Kurbelraum ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1: eine schematische Perspektivansicht eines Kolbenbolzens mit einem Sperrelement und einer Kolbenbolzenbuchse einer in der Fig. 3 gezeigten Kolbenanordnung;
Fig. 2: eine schematische Perspektivansicht des Kolbenbolzens gemäß Fig. 1;
Fig. 3: ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht einer Kolbenanordnung für einen ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisenden Zylinder einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem transparent dargestellten Kolben, der über den Kolbenbolzen gemäß den Fig. 1 und 2 mit einem Pleuel der Kolbenanordnung gelenkig gekoppelt ist, wobei die Kolbenanordnung eine Einrichtung umfasst, mittels welcher das Kompressionsverhältnis einstellbar ist;
Fig. 4: eine schematische Seitenansicht des Kolbens gemäß Fig. 3, wobei sich ein Steuerelement der Einrichtung in seiner ersten Stellung befindet;
Fig. 5: eine weitere schematische Seitenansicht des Kolbens gemäß Fig. 4;
Fig. 6: eine weitere schematische Seitenansicht des Kolbens gemäß den Fig. 4 und 5, wobei sich das Steuerelement in seiner zweiten Stellung befindet;
Fig. 7: eine weitere schematische Seitenansicht des Kolbens gemäß Fig. 6;
Fig. 8a - e: jeweils eine schematische Seitenansicht der Kolbenanordnung gemäß Fig. 3 während einer Hubbewegung in dem Zylinder, wobei das Kompressionsverhältnis verstellt wird;
Fig. 9: ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß Fig. 3;
Fig. 10: ausschnittsweise eine weiteres schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß Fig. 9;
Fig. 11: eine schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß den Fig. 9 und 10, wobei der Kolben transparent dargestellt ist; und
Fig. 12: ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß Fig. 11, wobei der Kolben transparent dargestellt ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kolbenbolzen 10 einer Kolbenanordnung 12 (Fig. 3), über welchen ein Kolben 14 der Kolbenanordnung mit einem Pleuel 16 einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine gelenkig zu koppeln ist. Wie in Zusammenschau mit den Fig. 8a-e zu erkennen ist, umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Kurbelwelle 18, welche in einem Kurbelgehäuse um eine Drehachse 20 relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 18 umfasst einen Hubzapfen, an dem das Pleuel 16 über ein großes Pleuelauge gelenkig gelagert ist. Das Pleuel 16 umfasst ferner ein kleines Pleuelauge, in welchem der Kolbenbolzen 10 bereichsweise aufgenommen ist.
Der Kolbenbolzen 10 ist mit dem Kolben 14 über jeweilige Verbindungsbereiche 22 gekoppelt. Die Verbindungsbereiche 22 des Kolbenbolzens 10 sind durch eine außenumfangsseitige Mantelfläche des Kolbenbolzens 10 gebildet, wobei die Verbindungsbereiche zumindest im Wesentlichen in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet sind. Zum Koppeln des Kolbenbolzens 10 mit dem Kolben 14 sind die Verbindungsbereiche 22 zumindest bereichsweise in jeweiligen, vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Aufnahmeöffnungen 26 des Kolbens14 aufgenommen.
Über den - bezogen auf die Bildebene der Fig. 2 - rechten Verbindungsbereich 22 des Kolbenbolzens 10 ist der Kolbenbolzen 10 mittelbar mit dem Kolben 14 verbunden. Wie anhand der Fig. 1 erkennbar ist, umfasst die Kolbenanordnung 12 eine Kolbenbolzenbuchse 28, in welcher der rechte Verbindungsbereich 22 des Kolbenbolzens 10 angeordnet ist. Die Kolbenbolzenbuchse 28 ist in der korrespondierenden Aufnahmeöffnung 26 aufgenommen. Die Kolbenbolzenbuchse 28 fungiert dabei als Anschlag für den Kolbenbolzen 10 und ermöglicht eine einfache Montage des Kolbenbolzens 10 am bzw. im Kolben 14.
Der Kolbenbolzen 10 weist ein Exzenterelement 23 auf, welches zumindest im Wesentlichen in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet und bezogen auf die Verbindungsbereiche 22 exzentrisch angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Längsmittelachse des Exzenterelements senkrecht zu den jeweiligen, koaxial zueinander angeordneten Längsmittelachsen der Verbindungsbereiche 22 versetzt ist. Über das Exzenterelement 23, welches in dem kleinen Pleuelauge des Pleuels 16 zumindest bereichsweise aufgenommen ist, ist der Kolbenbolzen 10 mit dem Pleuel 16 gelenkig verbunden. Somit ist der der Kolben 14 gelenkig mit dem Pleuel 16 gekoppelt. Infolge dieser gelenkigen Kopplung können translatorische Relativbewegungen des in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine aufgenommenen Kolben s14 relativ zu dem Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 18 um die Drehachse umgewandelt werden.
Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der eine durch einen Richtungspfeil 30 angedeutete Längserstreckung aufweisenden Kolbenbolzen 10 eine Aufnahmeöffnung 32 auf, welche beispielsweise als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Die Aufnahmeöffnung 32 erstreckt sich dabei zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung (Richtungspfeil 30) des Kolbenbolzens 10.
In der Aufnahmeöffnung 32 ist ein Sperrelement in Form eines Verriegelungsbolzens 34 aufgenommen. Der Verriegelungsbolzen 34 ist in der Aufnahmeöffnung 32 geführt senkrecht zur Längserstreckung des Kolbenbolzens 10 relativ zum Kolbenbolzen 10 verschiebbar. In Zusammenschau mit der Fig. 3 ist es ersichtlich, dass zumindest der Kolbenbolzen 10 und der Verriegelungsbolzen 34 einer Einrichtung 36 der Kolbenanordnung 12 zugeordnet sind. Mittels der Einrichtung 36 ist es möglich, das Kompressionsverhältnis des der Kolbenanordnung 12 zugeordneten Zylinders der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellen zu können.
Dazu umfasst die Einrichtung 36 auch ein Steuerelement in Form eines Steuerschiebers 38. Der Steuerschieber 38 ist an dem Kolben 14 gehalten und relativ zu dem Kolben 14 sowie relativ zu dem Kolbenbolzen 10 zwischen zwei Stellungen verschiebbar. Der Steuerschieber 38 ist dabei ausschließlich zwischen den beiden Stellungen verschiebbar. Bei dem Steuerschieber 38 handelt es sich somit um einen sogenannten bistabilen Steuerkolben.
In einer insbesondere in den Fig. 4 und 5 gezeigten ersten Stellung des Steuerschiebers 38 ist dieser mittels eines ersten Magneten gehalten. Der erste Magnet ist dabei an dem Kolben 14 angeordnet. In der insbesondere in den Fig. 3, 6 und 7 gezeigten zweiten Stellung ist der Steuerschieber 38 mittels eines zweiten Magneten gehalten, wobei auch der zweite Magnet an dem Kolben 14 gehalten ist. Insbesondere in der Fig. 9 ist eine Hülse 44 der Einrichtung 36 zu erkennen, in welcher der Steuerschieber 38 verschiebbar aufgenommen ist.
Durch Verschieben des Steuerschiebers 38 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Kolbenbolzens 10 zwischen seinen zwei Stellungen kann eine Bewegung des Verriegelungsbolzens 34 zwischen einer Freigabestellung und einer Sperrstellung des Verriegelungsbolzens 34 bewirkt oder verhindert bzw. verriegelt werden. Das Verschieben des Steuerschiebers 38 zwischen seinen beiden Stellungen kann wiederum mittels eines Stellglieds, beispielsweise eines Elektromagneten oder mittels Öldruck erfolgen. Vorliegend wird der Steuerschieber 38 mittels Öldruck verschoben.
Wie anhand der Fig. 9 bis 12 erkennbar ist, weist der Kolben 14 in seinem Kolbenhemd 40 zwei einander gegenüberliegende Durchgangsöffnungen 42 auf. Die Durchgangsöffnungen 42 durchsetzen das Kolbenhemd 40 und damit eine außenumfangseitige Mantelfläche des Kolbens 14 vollständig. An die Durchgangsöffnungen schließen sich Nuten 43 an, welche in axialer Richtung des Kolbens 14 verlaufen und welche mit den Durchgangsöffnungen 42 verbunden sind. Mit anderen Worten münden die Nuten 43 in die Durchgangsöffnungen.
Die Verstellung des Kompressionsverhältnisses ist insbesondere anhand der Fig. 8a - e zu erkennen. Über ein Beaufschlagungselement 46, beispielsweise eine Ölspritzdüse, wird Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine in die Nuten 43 und in die Durchgangsöffnungen 42 eingespritzt, während sich der Kolben 14 im Zylinder bewegt. Dadurch wird der Steuerschieber 38 von einer seiner Stirnseiten her mit Schmieröl beaufschlagt, insbesondere druckbeaufschlagt. Die Ansteuerung mit dem Schmieröl erfolgt dabei über 150° Kurbelwinkel der Kurbelwelle 18, wobei die Beaufschlagung, d.h. die Ansteuerungen des Steuerschiebers 38 bei einer Drehstellung der Kurbelwelle 18 gemäß Fig. 8b beginnt und bei einer weiteren Drehstellung der Kurbelwelle 18 gemäß Fig. 8e endet. Die der jeweils mit Schmieröl beaufschlagten Stirnseite gegenüberliegende andere entsprechend Stirnseite des Steuerschiebers 38 wird nicht mit Schmieröl beaufschlagt, was beispielsweise durch gegenseitig verriegelte Schaltventile sichergestellt ist. Durch Beaufschlagen der einen Stirnseite des Steuerschiebers 38 wird der Steuerschieber 38 in Richtung der anderen Stirnseite verschoben, welche nicht mit Schmieröl beaufschlagt wird. In den Fig. 8a-e ist auch eine Ölspritzdüse 47 erkennbar, mittels welcher der Kolben 14 mit Schmieröl bespritzt und somit gekühlt werden kann.
Das Beaufschlagungselement 46 ist dabei in der Zylinderlaufbahn des Zylinders angeordnet. Mit anderen Worten erfolgt die Beaufschlagung bzw. die Ansteuerung des Steuerschiebers 38 von außerhalb des Kolbens 14 über die Zylinderlaufbahn und somit von außerhalb des Kolbens 14 her.
Die Nuten 43, welche auch als Langlöcher ausgebildet sein können dienen dabei zur Aufnahme des Schmieröls über die Drehung der Kurbelwelle 18 und damit über die translatorische Bewegung des Kolbens 14 in dem Zylinder hinweg und leiten das Schmieröl zu den Durchgangsöffnungen 42 und darüber zu dem Steuerschieber 38.
Der Steuerschieber 38 dient dabei zur sogenannten Vorsteuerung von Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine, mittels welchem der Verriegelungsbolzen 34 zwischen wenigstens einer Freigabestellung und wenigstens einer Sperrstellung des Verriegelungsbolzens 34 bewegt wird.
Das Schmieröl zum Verstellen des Verriegelungsbolzens 34 wird über Lagerstellen der Kurbelwelle 18 an dem Kurbelgehäuse an die Kurbelwelle 18 und über entsprechende Kanäle weiter an das Pleuel 16 übergeben. Von dem Pleuel 16 strömt das Schmieröl zu einer außenumfangseitig in Umfangsrichtung vollständig umlaufenden ersten Nut 48 des Kolbenbolzens 10. Von der ersten Nut 48 strömt das Schmieröl über wenigstens einen entsprechenden Verbindungskanal zu einer zweiten Nut 50 des Kolbenbolzens 10, welche in Umfangsrichtung des Kolbenbolzens 10 außenumfangseitig ebenso vollständig umlaufend verläuft. Von der zweiten Nut 50 kann das Schmieröl an entsprechende Kanäle 56, 58 in dem Kolben 14 überströmen. Je nach Stellung des Steuerschiebers 38 kann das Schmieröl den ersten Kanal 56 oder den zweiten Kanal 58 durchströmen, zu dem Verriegelungsbolzen 34 gelangen, und diesen bewegen. Die Kanäle 56, 58 sind dabei direkt in den Kolben 14 integriert, das heißt durch Wandungen des Kolbens 14 gebildet bzw. begrenzt. Das am Steuerschieber 38 aus der Durchgangsöffnung 42 beim Umschalten austretende Öl kann zur Kühlung eingesetzt werden. Der Verbindungskanal der Nuten 48, 50 muss den Druckaufbau hinter den Verriegelungsbolzen gewährleisten und sollte deswegen keine unnötige Leckage nach außen aufweisen.
Die Fig. 5 zeigt den Steuerschieber 38 in seiner ersten Stellung. Der Verriegelungsbolzen 34 befindet sich zunächst in seiner Sperrstellung, in der er auf Seiten der - bezogen auf die Bildebene der Fig. 5 - rechten Nut 43 mit dem Kolben 14 zusammenwirkt und eine Drehung des Kolbenbolzens 10 relativ zu dem Kolben 14 verhindert. Das heißt, dass der Kolbenbolzen 10 lediglich im kleinen Pleuelauge des Pleuels 16 um die Längsmittelachse des Exzenterelements 23 relativ zum Pleuel 16 gedreht werden kann, so dass der Kolben 14 über den Kolbenbolzen 10 gelenkig mit dem Pleuel 16 gekoppelt ist. Dazu ist der Verriegelungsbolzen 34 bereichsweise in der Aufnahmeöffnung 32 und bereichsweise in einer auf Seiten der rechten Nut 43 angeordneten ersten Aufnahme im Kolben 14 aufgenommen.
In der ersten Stellung des Steuerschiebers 38 kann der erste Kanal 56 im Kolben 14 mit Schmieröl versorgt werden. Eine Versorgung des zweiten Kanals 58 im Kolben 14 mit Schmieröl ist durch den Steuerschieber 38 verhindert. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, strömt das Schmieröl in der ersten Stellung des Steuerschiebers 38 vom Pleuel 16 über die Nuten 48, 50 in den rechten ersten Kanal 56 und von dort weiter zu einer in dieser Stellung des Kolbenbolzens 10 rechten ersten Stirnseite 52 des Verriegelungsbolzens 34. Dies bedeutet, dass die erste Stirnseite 52 von dem Schmieröl beaufschlagt wird. Das Schmieröl drückt nun den Verriegelungsbolzen 34 in radialer Richtung des Kolbenbolzens 10 in die Aufnahmeöffnung 32 hinein und so von seiner Sperrstellung in seine Freigabestellung.
In der Aufnahmeöffnung 32 kann ein Federelement angeordnet sein, über das der Verriegelungsbolzen 34 an dem Kolbenbolzen 10 unter Federkraftbeaufschlagung abgestützt ist. Die Federkraft ist dabei in radialer Richtung des Kolbenbolzens 10 nach außen gerichtet. Das heißt, dass dann das Schmieröl den Verriegelungsbolzens 34 entgegen der Federkraft in die Aufnahmeöffnung 32 hinein- und aus der ersten Aufnahme herausdrückt. Ist der Verriegelungsbolzen 34 vollständig aus der ersten Aufnahme bewegt, so befindet er sich in seiner Freigabestellung. In der Freigabestellung kann der Verriegelungsbolzen 34 eine Relativdrehung des Kolbenbolzens 10 zum Kolben 14 nicht mehr verhindern. Der Kolbenbolzen 10 kann dann im kleinen Pleuelauge des Pleuels 16 um die Längsmittelachse des Exzenterelements 23 relativ zum Pleuel 16 sowie in den Aufnahmeöffnungen 26 um die jeweiligen Längsmittelachsen der Verbindungsbereiche 22 relativ zum Kolben 14 gedreht werden.
Eine solche Relativdrehung wird beispielsweise durch Massen- und/oder Flieh- und/oder in dem Zylinder herrschende und auf den Kolben 14 wirkende Druckkräfte infolge der exzentrischen Anordnung des Exzenterelements 23 relativ zu den Verbindungsbereichen 22 bewirkt. Beim Verdichtungstakt des Kolbens 14 wird der Kolben 14 in Richtung der Drehachse 20 gedrückt. Aufgrund der exzentrischen Anordnung des Exzenterelements 23 relativ zu den Verbindungsbereichen 22 wird der Abstand zwischen dem Kolben 14 und der Drehachse verkleinert bzw. der Abstand zwischen dem Kolben 14 und einem Brennraumdach des Zylinders vergrößert, wodurch das Kompressionsverhältnis (ε) verringert wird. Während des Ansaugtrakts wird der Abstand zwischen dem Kolben 14 und der Drehachse 20 vergrößert, indem der Kolben 14 von der Drehachse weggezogen wird. Dadurch wird ein demgegenüber höheres Kompressionsverhältnis eingestellt. Das Drücken und Ziehen des Kolbens 14 bewirkt dabei über seine Kopplung mit dem Kolbenbolzen 10 das Drehen des Kolbenbolzens 10 relativ zum Kolben 14 bzw. relativ zum Pleuel 16, wenn sich der Verriegelungsbolzen 34 in seiner Freigabestellung befindet.
Vorliegend dreht sich der Kolbenbolzen 10 um 180 Grad - bezogen auf die Bildebene der Fig. 5 - nach links, also entgegen dem Uhrzeigersinn. Ist die Aufnahmeöffnung 32 als Durchgangsöffnung ausgebildet, so wirkt dann das Schmieröl über den ersten rechten Kanal 56 auf eine der ersten Stirnseite 52 abgewandte zweite Stirnseite 54 des Verriegelungsbolzens 34 und drückt den Verriegelungsbolzen 34 zusammen mit der Federkraft des Federelements in radialer Richtung nach außen aus der Aufnahmeöffnung 32 hinaus. Der Verriegelungsbolzen 34 wird somit von seiner Freigabestellung wieder in seine Sperrstellung bewegt. Dann wirkt der Verriegelungsbolzen 34 auf Seiten der - bezogen auf die Bildebene der Fig. 5 - linken Nut 43 mit dem Kolben 14 zusammen, so dass dann wieder ein Verdrehen des Kolbenbolzens 10 relativ zum Kolben 14 verhindert ist. Der Kolbenbolzen 10 ist verriegelt.
Dazu ist der Verriegelungsbolzen 34 zum Beispiel bereichsweise in der Aufnahmeöffnung 32 und bereichsweise in einer auf Seiten der linken Nut 43 angeordneten zweiten Aufnahme im Kolben 14 aufgenommen. Das Schmieröl wird nicht nur zum bewegen des Verriegelungsbolzens 34 sondern auch zum Arretieren dieses in der Sperrstellung genutzt und erfüllt somit auch eine Arretierungsfunktion.
Wird dann - davon ausgehend - der Steuerschieber 38 in seine zweite Stellung bewegt (verschoben), wird die Versorgung des rechten ersten Kanals 56 mit Schmieröl beendet. Dann wird der linke zweite Kanal 58 mit Schmieröl versorgt. Das Schmieröl kann dann von dem Pleuel 16 über die Nuten 48, 50 in den linken zweiten Kanal 58 und von dort weiter zu der in der jetzigen Stellung des Kolbenbolzens linken ersten Stirnseite 52 strömen. Dies bedeutet, dass nun wieder die erste Stirnseite 52 (nicht mehr die zweite Stirnseite 54) mit Schmieröl beaufschlagt wird. Das Schmieröl drückt den Verriegelungsbolzen 34 wieder in seine Freigabestellung.
Nun kann sich der Kolbenbolzen wieder um 180 Grad drehen, nur diesmal nach rechts, also im Uhrzeigersinn. Dies wird wiederum nicht durch ein aktives Stellelement sondern im Wesentlichen passiv durch die Flieh- und/oder Massen- und/oder Druckkräfte bewirkt.
Wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, wird dann - nach der Drehung nach rechts - wieder die zweite Stirnseite 54 mit Schmieröl beaufschlagt, nur diesmal über den zweiten Kanal 58. Dadurch wird der Verriegelungsbolzen 34 zusammen mit der Federkraft in seine Sperrstellung auf Seiten der rechten Nut 43 gedrückt und mittels des Schmieröls arretiert. Der Kolbenbolzen 10 ist wieder verriegelt.
Dies bedeutet, dass je nach Stellung des Steuerschiebers 38 und Drehstellung des Kolbenbolzens 10 in den Aufnahmeöffnungen 26 entweder die erste Stirnseite 52 oder die zweite Stirnseite 54 mit Schmieröl beaufschlagt und der Verriegelungsbolzen 34 entsprechend bewegt (verstellt) werden kann oder der Verriegelungsbolzen 34 wird arretiert, wodurch der Kolbenbolzen 10 in den Totpunkten des Kolbens 14 verriegelt wird.
Es ist ersichtlich, dass mittels des einen Steuerschiebers 38 zwei Stellungen des Kolbenbolzens 10 und somit zwei voneinander unterschiedliche Kompressionsverhältnisse (Verdichtungsverhältnisse) des Zylinders mittels der Kolbenanordnung 12 darstellbar sind. Es kann wenigstens ein weiterer Steuerschieber wie der Steuerschieber 38 vorgesehen sein, so dass mittels des weiteren Steuerschiebers zwei weitere Stellungen des Kolbenbolzens 10 und somit zwei weitere Kompressionsverhältnisse darstellbar sind. Zur Darstellung der zwei weiteren Kompressionsverhältnisse ist der Kolbenbolzen 10 zum Beispiel über seine zwei Verbindungsbereiche 22 unter Vermittlung jeweiliger Exzenterbuchsen mit dem Kolben gekoppelt. Dies bedeutet, dass der Kolben 14 über die Exzenterbuchsen an dem Kolbenbolzen 10 gelagert ist. Analog zu der Drehung des Kolbenbolzens 10 relativ zu dem Kolben 14 durch Verschieben des Steuerschiebers 38 können dann Relativdrehungen der Exzenterbuchsen zu dem Kolben 14 mittels des weiteren Steuerschiebers bewirkt werden, so dass dadurch der Kolben 14 relativ zur Drehachse 20 und relativ zum Brennraumdach verstellt wird.

Claims

Verfahren zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums, insbesondere eines Zylinders, einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem das Verdichtungsverhältnis mittels einer Einrichtung (36) eines dem Brennraum zugeordneten Kolbens (14), welcher über jeweilige Verbindungsbereiche (22, 24) mit einem Kolbenbolzen (10) zum Verbinden des Kolbens (14) mit einem Pleuel (16) der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, eingestellt wird, wobei zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eine Drehung des der Einrichtung (36) zugeordneten Kolbenbolzens (10), welcher wenigstens ein bezogen auf den Verbindungsbereich (22) des Kolbenbolzens (10) exzentrisch angeordnetes Exzenterelement (23) zum Verbinden der Kolbenbolzen (10) mit dem Pleuel (16) aufweist, relativ zu dem Kolben bewirkt wird und zum Bewirken der Drehung wenigstens ein an dem Kolbenbolzen (10) oder dem Kolben gehaltenes Sperrelement (34) der Einrichtung (36) von einer die Drehung verhindernden Sperrstellung in eine die Drehung ermöglichende Freigabestellung relativ zu dem Kolbenbolzen (10) und relativ zu dem Kolben (14) bewegt wird, wodurch die Drehung des Kolbenbolzens (10) relativ zu dem Kolben (14) infolge von Flieh- und/oder Massenkräften des sich in dem Brennraum bewegenden Kolbens (14) und/oder infolge von Druckkräften in dem Brennraum erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein dem Brennraum und dem Kolben (14) zugeordneter Kurbelraum eines Kurbelgehäuses, in welchem eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine zumindest bereichsweise angeordnet ist, mittels wenigstens eines Stellelements gegenüber wenigstens einem sich an den Kurbelraum anschließenden weiteren Raum des Kurbelgehäuses abgedichtet wird, indem das Stellelement von einer ersten Stellung in eine den Kurbelraum bezogen auf die erste Stellung gegenüber dem weiteren Raum abdichtenden zweite Stellung verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
als das Stellelement ein Schmierölabweiser in dem Kurbelraum verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
als das Stellelement ein eine Ventilationsöffnung des Kurbelraums in der ersten Stellung zumindest bereichsweise freigebendes und in der zweiten Stellung die Ventilationsöffnung gegenüber der ersten Stellung zumindest bereichsweise verschließendes Ventilelement verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich das Stellelement selbständig, insbesondere unter Federkraftbeaufschlagung mittels wenigstens eines Federelements, von der zweiten in die erste Stellung verstellt, wenn der Druck in dem Kurbelraum einen Schwellenwert überschreitet.