EP2764229B1

EP2764229B1 - Kolbenanordnung für einen ein veränderbares kompressionsverhältnis aufweisenden brennraum einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP2764229B1
Application number: EP20120756660
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: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014529038A; CN103874837A; US9309831B2; WO2013050100A1; DE102011115417A1; EP2764229A1; US20140311439A1; JP5917702B2; CN103874837B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisenden Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 33 46 967 C2 offenbart einen Tauchkolben mit variabler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren, bei dem der Kolbenboden mit zumindest einem Teil der Kolbenringpartie axial relativ verschiebbar auf dem den Kolbenbolzen aufnehmenden Unterteil angeordnet ist. Bei dem Tauchkolben sind zwei mit Drucköl füllbare, miteinander verbundene Kammern vorgesehen, deren jeweiliges Volumen sich bei Relativverschiebung des Kolbenbodens in reziprokem Verhältnis zueinander ändert und von denen eine erste Kammer als Steuerkammer direkt unter dem Kolbenboden liegt, während eine zweite Kammer als Dämpfungskammer unterhalb der Steuerkammer angeordnet ist. Bei dem Kolben ist weiterhin das Drucköl über Ventile geführt, von denen eines als Druckbegrenzungsventil ausgebildet und zwischen Steuerkammer und einem zum Kurbelgehäuse offenen Raum angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Dämpfungskammer im Inneren des Kolbens unterteilt angeordnet ist und begrenzt ist von einem von der Mitte des Kolbenbodens ausgehenden Ansatz, einer zentralen Ausnehmung des Kolbenunterteils, in die der Ansatz eingreift, einem am kolbenbodenseitigen Ende der Ausnehmung in diese Ausnehmung radial hineinragenden Kragen des Kolbenunterteils, welcher die beiden Kammern voneinander trennt, sowie einer lösbar an dem Ansatz befestigbaren Dichtscheibe, die durch eine mit dem Ansatz verschraubte Schraube gehalten ist.
Der DE 36 38 783 C2 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Ölzulaufes in eine Steuerkammer des Kolbens mit veränderlicher Kompressionshöhe für Verbrennungskraftmaschinen als bekannt zu entnehmen. Die Steuerkammer ist zwischen einem Innenkolbenteil und an diesem verschiebbar geführten Außenkolbenteil angeordnet. Die Steuerkammer ist über eine im Innenkolbenteil angeordnete Ölbohrung, in deren Verlauf ein in Richtung zur Steuerkammer hin öffnendes Rückschlagventil eingesetzt ist, die in eine Ölnut in einer Pleuelbuchse der am Innenkolbenteil über einen einen Ölvorratsraum bildenden hohlen Kolbenbolzen angelenkten Pleuelstange ausmündet und die über eine von der Ölnut aus durch den Schaft der durch ein Pleuellager getragenen Pleuelstange bis zu einer steuerölnutführenden Längsölbohrung und eine im Kurbelzapfen zwischen der Steuerölnut und einer Hauptölbohrung sich erstreckende Querbohrung an den Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen.
Dabei ist vorgesehen, dass das Pleuellager über einen Teil seines Umfangs die Steuerölnut enthält dergestalt, dass die Querbohrung im Bereich zwischen dem letzten Drittel der Kolbenauswärtsbewegung bis zum letzten Drittel der Kolbeneinsatzbewegung in Überdeckung mit der Steuerölnut steht.
Darüber hinaus ist aus der DE 10 2009 048 172 A1 ein Kolben für eine ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisende Verbrennungskraftmaschine bekannt. Der Kolben umfasst ein erstes Kolbenteils sowie ein zweites Kolbenteil, welche unter Ausbildung zumindest einer ersten, mit einem Druckmedium, insbesondere einem Druckfluid, beaufschlagbaren und in ihrem Volumen veränderbaren Kammer relativ zueinander bewegbar gekoppelt sind. 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.
In der DE 197 57 871 A1 wird für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einer Vorrichtung zur Veränderung der Kolbenhubfunktion vorgeschlagen, am Zylinderblock in der Umgebung des Kolbens bzw. des Pleuels eine vom Kurbeltrieb nicht bewegte elektrische Spule anzubringen, zwischen der und einem durch den Kurbeltrieb bewegten oszillierenden Bauteil zumindest zyklisch entsprechend der Bewegung des Kurbeltriebs eine Kraftwirkung herstellbar ist. Die Kraftwirkung kann unmittelbar über ein elektromagnetisches Feld erfolgen oder mittelbar durch mechanischen Kontakt, wobei durch die Kraftwirkung der Spule eine Kulisse in das Innere oder im Inneren des Zylinderrohres verlagert wird, so dass es mit dem durch den Kurbeltrieb bewegten Bauteil zyklisch in Kontakt kommt. Durch die Kraftwirkung kann die Vorrichtung zur Veränderung der Kolbenhubfunktion gesteuert bzw. deren Verstellzustand erfasst werden.
Die JP 60 142020 A zeigt ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben, einem Kolbenbolzen und einer Pleuelstange in einem Zylinder, wobei der Kolbenbolzen in seiner Länge zumindest teilweise exzentrisch ausgeführt ist und mittels eines Steuerelements in zumindest zwei Stellungen bewegbar ist und dadurch das Verdichtungsverhältnis des Zylinders der Brennkraftmaschine veränderbar ist.
Es hat sich gezeigt, dass derartige Verstellungen der Kolbenhöhe und damit des Kompressionsvehältnisses aufwändig sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenanordnung für einen ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisenden Brennraum bereitzustellen, mittels welcher eine einfache variable Einstellung des Kompressionsverhältnisses des Brennraums ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Kolbenanordnung für einen ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisenden Brennraum, insbesondere Zylinder, einer insbesondere als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst einen Kolben sowie eine Einrichtung zum variablen Einstellen des dem Brennraum zugeordneten Kompressionsverhältnisses (Verdichtungsverhältnisses). Die Kolbenanordnung umfasst ferner einen Kolbenbolzen. Der Kolbenbolzen ist mit dem Kolben über jeweilige Verbindungsbereiche gekoppelt. Dabei ist der Kolbenbolzen beispielsweise in Aufnahmeöffnungen, insbesondere Durchgangsöffnungen, des Kolbens zumindest bereichsweise aufgenommen. Über den Kolbenbolzen ist der Kolben mit einem Pleuel der Verbrennungskraftmaschine insbesondere gelenkig koppelbar.
Der Kolben kann über den Kolbenbolzen und das Pleuel mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gelenkig gekoppelt werden, so dass translatorische Bewegungen des Kolbens in dem Brennraum relativ zu diesem in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden können.
Erfindungsgemäß umfasst die Einrichtung den Kolbenbolzen. Dabei weist der Kolbenbolzen wenigstens ein bezogen auf den Verbindungsbereich des Kolbenbolzens exzentrisch angeordnetes Exzenterelement auf, über das der Kolben mit dem Pleuel koppelbar ist. Ist der Kolbenbolzen über das Exzenterelement mit dem Pleuel gekoppelt und wird der Kolbenbolzen um die Längsmittelachse des zumindest im Wesentlichen in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildeten Exzenterelements relativ zu dem Pleuel und um die Längsmittelachse des wenigstens einen, zumindest im Wesentlichen in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildeten Verbindungsbereichs des Kolbenbolzens relativ zu dem Kolben gedreht, so bewirkt diese Verdrehung des Kolbenbolzens relativ zu dem Pleuel und relativ zu dem Kolben infolge der exzentrischen Anordnung des Exzenterelements relativ zu dem Verbindungsbereich des Kolbenbolzens, dass der in dem Brennraum angeordnete Kolben in Längserstreckungsrichtung des Pleuels relativ zu diesem bewegt, insbesondere verschoben wird.
Dies geht mit einer Veränderung des Abstands zwischen dem Kolben und der Drehachse der Kurbelwelle einher. Ferner geht dies mit der Veränderung des Abstands zwischen dem Kolben und einem Brennraumdach des Brennraums einher. Dadurch wird das Kompressionsverhältnis des Brennraums verändert. Diese Veränderung des Kompressionsverhältnisses ist dabei auf besonders einfache und damit kosten- und bauraumgünstige Weise realisiert.
Darüber hinaus ist es mittels der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung möglich, das Kompressionsverhältnis bedarfsgerecht einzustellen und an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine einstellen zu können. So kann die Verbrennungskraftmaschine effizient und mit einem nur geringen Energieverbrauch, insbesondere Kraftstoffverbrauch, betrieben werden. Die Kolbenanordnung weist ferner nicht nur eine sehr hohe Kompaktheit sondern auch einen sehr hohen Gleichteilanteil im Vergleich zu einer herkömmlichen Kolbenanordnung, welche keine Verstellung des Kompressionsverhältnisses ermöglicht, auf. Dies kommt den geringen Kosten zugute.
Gemäß der Erfindung umfasst die Einrichtung wenigstens ein Steuerelement. Das Steuerelement ist dabei am Kolben relativ zum Kolben und relativ zum Kolbenbolzen zwischen zumindest zwei Stellungen bewegbar. Insbesondere ist das Steuerelement schräg oder senkrecht zur Längserstreckung des Kolbenbolzens verschiebbar, weswegen das Steuerelement auch als Steuerschieber bezeichnet wird. Mittels des Steuerelements ist eine Drehung des Kolbenbolzens relativ zu dem Kolben bewirkbar oder verhinderbar ist.
Mit anderen Worten, befindet sich das Steuerelement in der ersten Stellung, so bewirkt das Steuerelement je nach Drehstellung des Kolbenbolzens eine Verriegelung des Kolbenbolzens oder eine Drehung des Kolbenbolzens relativ zum Kolben. So kann wahlweise das Kompressionsverhältnis beibehalten oder verändert werden
Die Drehung des Kolbenbolzens relativ zum Kolben und damit die Einstellung bzw. die Verstellung des Kompressionsverhältnisses erfolgt bei der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung bevorzugt infolge von Flieh- oder Massenkräften des sich in dem Brennraum bewegenden Kolbens und/oder infolge von in dem Brennraum herrschenden und auf den Kolben wirkenden Druckkräften. Dadurch ist eine einfache Verstellung des Kompressionsverhältnisses ohne zusätzliche aktive Stellelemente geschaffen, was den Bauraumbedarf der Kolbenanordnung sowie ihre Kosten gering hält.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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 Kolbens 14 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 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 Olspritzdüse 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. Der Verbindungskanal des Kolbenbolzens 10 zur fluidischen Verbindung der Nuten 48, 50 mündet vorliegend nach außen, so dass überschüssiges Schmieröl zur Kühlung des Kolbens 14 verwendet werden kann.
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

Kolbenanordnung (12) für einen ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisenden Brennraum, insbesondere Zylinder, einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolben (14), mit einer Einrichtung (36) zum variablen Einstellen des dem Brennraum zugeordneten Kompressionsverhältnisses, und mit einem mit dem Kolben (14) über jeweilige Verbindungsbereiche (22, 24) gekoppelten Kolbenbolzen (10), über welchen der Kolben (14) mit einem Pleuel (16) der Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist, wobei die Einrichtung (36) den Kolbenbolzen (10) umfasst, welcher wenigstens ein bezogen auf den Verbindungsbereich (22) des Kolbenbolzens (10) exzentrisch angeordnetes Exzenterelement (23) aufweist, über das der Kolbenbolzen (10) mit dem Pleuel (16) koppelbar ist und die Einrichtung (36) wenigstens ein am Kolben (14) relativ zu dem Kolbenbolzen (10) und dem Kolben (14) zwischen zumindest zwei Stellungen bewegbar, insbesondere schräg oder senkrecht zur Längserstreckung (30) des Kolbenbolzens (10) verschiebbar, gehaltenes Steuerelement (38) umfasst, mittels welchem eine Drehung des Kolbenbolzens (10) relativ zu dem Kolben (14) bewirkbar und verhinderbar ist und die Einrichtung (36) ein zumindest bereichsweise in dem Kolbenbolzen (10) aufgenommenes und schräg, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Kolbenbolzens (10) relativ zu diesem zwischen wenigstens einer Freigabestellung und wenigstens einer Sperrstellung bewegbares, insbesondere verschiebbares, Sperrelement (34) aufweist, mittels welchem in dessen Freigabestellung die Drehung des Kolbenbolzens (10) relativ zu dem Kolben (14) bewirkbar ist und mittels welchem in der Sperrstellung, in der das Sperrelement mit dem Kolben (14) zusammenwirkt, die Drehung des Kolbenbolzens (10) relativ zu dem Kolben (14) verhinderbar ist, wobei das Sperrelement (34) mittels des Steuerelements (38) zwischen der mit der ersten Stellung des Steuerelements (38) korrespondierenden Freigabestellung und der mit der zweiten Stellung des Steuerelements (38) korrespondierenden Sperrstellung bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sperrelement (34) über das Steuerelement (38) mit einem Medium, insbesondere Schmiermittel, Schmieröl oder dergleichen, der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbar und dadurch bewegbar ist, wobei die Beaufschlagung des Sperrelements (34) mit dem Medium mittels des Steuerelements (38) steuerbar ist.
Kolbenanordnung (12) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Beaufschlagen des Sperrelements (34) mit dem Medium wenigstens ein am Kolben (14) vorgesehener erster Kanal (56, 58) zum Führen des Mediums zu dem Sperrelement (34) vorgesehen ist, welcher mit wenigstens einem am Kolbenbolzen (10) vorgesehenen zweiter Kanal (48, 50) zum Führen des Mediums fluidisch verbunden ist.
Kolbenanordnung (12) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kanal (56, 58) direkt in den Kolben (14) integriert ist.
Kolbenanordnung (12) nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer der Stellungen des Steuerelements (38) eine Versorgung des ersten Kanals (56, 58) mit dem Medium freigegeben und in der anderen Stellung verhindert ist.
Verbrennungskraftmaschine mit einer Kolbenanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 1 bis 4 in dessen Rückbezug auf Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben (14) wenigstens eine eine außenumfangsseitige Mantelfläche (40) des Kolbens (14) durchdringende Durchgangsöffnung (42) aufweist, über welche zum Bewegen des Steuerelements (38) zwischen dessen Stellungen das Steuerelement (38) von außerhalb des Kolbens (14) mit einem Medium, insbesondere Schmieröl, der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbar ist.