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EP3267011A1 - Vorrichtung zum verändern eines kompressionsverhältnisses einer hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum verändern eines kompressionsverhältnisses einer hubkolben-brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
EP3267011A1
EP3267011A1 EP17172625.0A EP17172625A EP3267011A1 EP 3267011 A1 EP3267011 A1 EP 3267011A1 EP 17172625 A EP17172625 A EP 17172625A EP 3267011 A1 EP3267011 A1 EP 3267011A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gear
crankshaft
piston
combustion engine
connecting rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17172625.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Gutzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP3267011A1 publication Critical patent/EP3267011A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/048—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable crank stroke length

Definitions

  • the invention relates to a device for changing a compression ratio of a reciprocating internal combustion engine having the features of the preamble of patent claim 1.
  • a variable compression ratio opens up consumption and performance potentials by adapting it to the load condition of the internal combustion engine, which remain unused with a fixed compression ratio.
  • crank mechanism has a crankshaft, with both sides rotatably mounted crank pin, each with a connecting rod and a sliding in a cylinder of the reciprocating internal combustion engine arranged piston in Active compound stand. This results in the conversion of the rotational movement of the crankshaft into a bidirectional translational movement of the pistons in the cylinders with a defined lifting height.
  • a rotatable, externally toothed eccentric is arranged, with the aid of which the lifting height of the piston adjustable, and the compression ratio is variable.
  • an externally toothed first gear is provided for rotating the eccentric, which is rotatably connected axially with a second gear via a shaft arranged parallel to the crankshaft.
  • This gear interacts with an internally toothed gear, which is rotatable by a worm.
  • a disadvantage of this configuration is a significant weakening of the load-bearing structure of the crankshaft, in particular in the region of the main bearing, by the necessary for Phasenwinkel-, or compression adjustment synchronization transmission from the crankcase to the eccentric bearing shells. This leads to a reduction in the achievable increased efficiency of the internal combustion engine associated with the compression adjustment and to an increase in the frictional losses due to increased bearing diameters, whereby essential parts of the achievable potential are again consumed by the variable compression ratio of the internal combustion engine.
  • the reciprocating internal combustion engine has a crank mechanism with a crankshaft with at least one crank pin rotatably mounted on both sides, with a connecting rod and a piston movably movably arranged in a cylinder of the reciprocating internal combustion engine Active connection stands up to the conversion of a rotational movement of the crankshaft in a bidirectional, translational movement of the piston with a defined lifting height.
  • a rotatable, externally toothed eccentric is arranged to change the lifting height of the piston, wherein an externally toothed first gear is provided for rotating the eccentric axially parallel with a second gear via a crankshaft and with her circumferentially arranged shaft is rotatably connected, which is arranged on a meshing, rotatable by an actuating element third gear, wherein the shaft is arranged parallel and radially spaced from the crankshaft.
  • the object of the present invention is o. G. To avoid disadvantages.
  • a device for changing the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine, which acts around the load-bearing crankshaft structures outside and at the same time ensures the necessary speed ratios.
  • the rotatably mounted in the crankcase gears (third and fourth gear) move only in the adjustment of the compression ratio, but not constantly due to the rotation of the crankshaft.
  • the device itself is stored here to save space rotatably mounted in the crankcase.
  • the proposed device according to claim 1 is suitable for a single-cylinder reciprocating internal combustion engine.
  • the embodiment according to claim 2 is suitable for a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine.
  • the embodiment according to claim 3 is particularly compact.
  • the drives of the third or fourth gear according to claim 4 are particularly preferred embodiments.
  • the arrangement acc. Claim 5 is particularly compact and can be integrated with only minor changes in an existing crankcase.
  • the embodiment according to claim 6 is a variant.
  • Fig. 1 schematically shows an inventive device for varying a compression ratio of a reciprocating internal combustion engine with two cylinders.
  • the reciprocating internal combustion engine has a crank mechanism 1, with a dashed crankshaft 2 with two mutually rotatably mounted crank pins 3, 3 ', each with a connecting rod 4, 4' and one in a cylinder 5, 5 'of the reciprocating internal combustion engine Bidirectionally sliding movably arranged pistons 6, 6 'are in operative connection.
  • a crankshaft axis is numbered 2 '. This part of the device is used to convert a rotational movement of the crankshaft 2 in a bidirectional, translational movement of the piston 6, 6 'with a defined lifting height.
  • a rotatable, externally toothed eccentric 7, 7 ' is in each case a rotatable, externally toothed eccentric 7, 7 'arranged to change the lifting height of the piston 6, 6'.
  • an externally toothed first gear 8 is provided, which is axially connected in rotation with a second gear via a parallel to the crankshaft 2 arranged Weller10.
  • the second gear 9 is rotatably connected in this embodiment via the third gear 12 with a fourth gear 13 having a larger outer diameter than the revolving second gear 9.
  • the fourth gear 13 is rotatably adjustable in this embodiment via an actuating element 11.
  • the third and fourth gear 12, 13 are rotatably mounted in a crankcase of the reciprocating internal combustion engine.
  • the eccentric 7 is rotated and thus changes the compression ratio of the internal combustion engine.
  • the shaft 10 is arranged parallel to and radially outwardly spaced from the crankshaft 2. In this case, the rotational movement of the crankshaft 2 and the adjusting movement of the fourth gear 13 can take place simultaneously and at different speeds.
  • This basic adjustment mechanism or this device for changing the compression ratio of the reciprocating internal combustion engine can be used for a reciprocating internal combustion engine with a cylinder.
  • a reciprocating internal combustion engine is shown with two cylinders, engages in the outer toothing of the eccentric 7, a fifth gear 14 which rotatably on a parallel to the crankshaft axis 2 'arranged second Shaft 15 rotatably connected to a sixth gear 14 ', which transmits the adjustment of the fifth gear 14 to an outer toothing of the second eccentric 7'.
  • the fourth gear 13 can be omitted and the actuator 11 acts directly on the third gear 12 a.
  • Fig. 1 is the second shaft 14 disposed in an axial through hole of the crankshaft 2 coaxial with the crankshaft 2, which allows a very space-saving design.
  • the third or fourth gear 12, 13 may be rotated by the actuator 11 via a seventh gear or a rack or a worm or a slider.
  • Fig. 2 shows a device for varying the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine with six cylinders.
  • the two middle cylinders again show the same kinematics as Fig. 1 however, adjacent to the two middle cylinders on each side there are two further non-numbered cylinders with the same crank mechanism, each having a drive-through with a second shaft 15, for varying the compression ratio of the four other non-numbered cylinders.
  • the cylinder 6 of the reciprocating internal combustion engine a high compression 16 and the cylinder 6 'has a low compression 17.
  • Fig. 3 schematically shows an end view of the inventive device for varying the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine for a specific embodiment, as shown in the FIGS. 1 and 2 can be used.
  • the gears have the following numbers of teeth: Eccentric 7: 55 teeth First gear 8: 15 teeth Second gear 9 36 teeth Third gear 12: 66 teeth Fourth gear 13: 148 teeth
  • the directions of rotation of the individual gears to a larger compression ratio out are indicated schematically by arrows.
  • the cylinder direction is upwards, d. H. in the direction of the crank pin, and the eccentric third
  • Fig. 4 shows schematically an end view of a device according to the invention for varying the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine for a second specific embodiment. It essentially applies to Fig. 3 said, but in this second embodiment between the first gear 8 and the fifth gear 14, an intermediate gear 19 is arranged, which consists in this embodiment of only a single gear.
  • Fig. 5 shows a technical embodiment of the inventive device for varying the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine.
  • the crankshaft 2 and a crankcase are not shown.
  • Fig. 5 are three storage rollers 20 for the fourth gear 13 can be seen, with which the fourth gear 13 is rotatably mounted radially outwardly relative to the crankcase of the reciprocating internal combustion engine.
  • three storage rollers 20 are provided for a statically determined storage.
  • Fig. 5 is the device Space-saving between two cylinders 5, 5 'of the reciprocating internal combustion engine arranged, whereby they can be integrated into an existing crankcase without much rework.
  • crank pin connected in series sliding bearing can be even lower than that of an original Hubzapfenschleitlager from the prior art, namely, if the sum of the two bearing clearance can remain greater than that of the original one sliding bearing (the friction is proportional to the relative speed squared divided by the bearing clearance).
  • a valve lift adjustment device eg BMW Valvetronic
  • a variable compression ratio with a variable valve train, for example, from the German patent application DE 10 2006 015 887 A1 known.
  • the numbers of teeth are chosen so that the bearing shell (eccentric 7) with the desired speed around the crank pin 3 of the crankshaft 2 rotates.
  • the adjusting wheel (fourth gear 13) is stationary, the phase angle of the rotation and thus the compression of the reciprocating internal combustion engine remain constant.

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Abstract

Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle mit zumindest einem beiderseits drehbeweglich gelagerten Hubzapfen, der mit einem Pleuel und einem in einem Zylinder der Hubkolben-Brennkraftmaschine schiebebeweglich angeordneten Kolben in Wirkverbindung steht, zur Wandlung einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle in eine bidirektionale, translatorische Bewegung des Kolbens mit einer definierten Hubhöhe, wobei zwischen dem Hubzapfen und einem Pleuelauge des Pleuels ein drehbeweglicher, außenverzahnter Exzenter angeordnet ist zur Veränderung der Hubhöhe des Kolbens, wobei zur Verdrehung des Exzenters ein außenverzahntes erstes Zahnrad vorgesehen ist, das axial mit einem zweiten Zahnrad über eine zur Kurbelwelle parallel angeordnete Welle drehfest verbunden ist, welches auf einem, von einem Stellelement verdrehbaren dritten Zahnrad kämmend angeordnet ist, wobei die Welle parallel und radial beabstandet zu einer Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Vorrichtung platzsparend, ohne große Veränderungen in ein herkömmliches Kurbelgehäuse integriert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein variables Verdichtungsverhältnis erschließt Verbrauchs- und Leistungspotentiale durch Anpassung desselben an den Lastzustand der Brennkraftmaschine, die bei einem unveränderlichen Verdichtungsverhältnis ungenutzt bleiben.
  • Bekannt ist auch die Verwendung einer exzentrischen Lagerschale im großen Pleuelauge zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses oder Kompressionsverhältnisses, die mit halber Kurbelwellendrehzahl gleichsinnig umläuft. Das Verdichtungsverhältnis ist dann durch die Verstellung des Phasenwinkels der Lagerschale einstellbar.
  • Aus der WO 2011/006537 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb bekannt. Der Kurbeltrieb weist eine Kurbelwelle auf, mit beiderseits drehbeweglich gelagerten Hubzapfen, die jeweils mit einem Pleuel und einem in einem Zylinder der Hubkolben-Brennkraftmaschine schiebebeweglich angeordneten Kolben in Wirkverbindung stehen. Hierdurch erfolgt die Wandlung der rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle in eine bidirektionale translatorische Bewegung der Kolben in den Zylindern mit einer definierten Hubhöhe. Zwischen den Hubzapfen und den Pleuelaugen der Pleuel ist jeweils ein drehbeweglicher, außenverzahnter Exzenter angeordnet, mit deren Hilfe die Hubhöhe der Kolben einstellbar, bzw. das Kompressionsverhältnis veränderbar ist. Hierbei ist zur Verdrehung der Exzenter jeweils ein außenverzahntes erstes Zahnrad vorgesehen, das axial mit einem zweiten Zahnrad über eine zur Kurbelwelle parallel angeordnete Welle drehfest verbunden ist. Dieses Zahnrad steht mit einem innenverzahnten Zahnrad in Wechselwirkung, welches von einer Schnecke verdrehbar ist. Durch die Verdrehung des innenverzahnten Zahnrades ist somit das Kompressionsverhältnis der Hubkolben-Brennkraftmaschine veränder- oder einstellbar.
  • Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist eine wesentliche Schwächung der lasttragenden Struktur der Kurbelwelle, insbesondere im Bereich der Hauptlager, durch das zur Phasenwinkel-, oder Verdichtungsverstellung notwendige Synchronisationsgetriebe vom Kurbelgehäuse zu den exzentrischen Lagerschalen. Dies führt zu einer Reduzierung der mit der Verdichtungsverstellung verbundenen erreichbaren erhöhten Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine und zu einer Erhöhung der Reibverluste durch vergrößerte Lagerdurchmesser, wodurch wesentliche Teile des erreichbaren Potentials durch das variable Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine wieder aufgezehrt werden.
  • Weiter ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 184 042 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine weist einen Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle mit zumindest einem beiderseits drehbeweglich gelagerten Hubzapfen, der mit einem Pleuel und einem in einem Zylinder der Hubkolben-Brennkraftmaschine schiebebeweglich angeordneten Kolben in Wirkverbindung steht auf, zur Wandlung einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle in eine bidirektionale, translatorische Bewegung des Kolbens mit einer definierten Hubhöhe. Zwischen dem Hubzapfen und dem Pleuelauge des Pleuels ist ein drehbeweglicher, außenverzahnter Exzenter angeordnet, ist zur Veränderung der Hubhöhe des Kolbens, wobei zur Verdrehung des Exzenters ein außenverzahntes erstes Zahnrad vorgesehen ist, das axial mit einem zweiten Zahnrad über eine zur Kurbelwelle parallel und mit ihr umlaufend angeordnete Welle drehfest verbunden ist, welches auf einem, von einem Stellelement verdrehbaren dritten Zahnrad kämmend angeordnet ist, wobei die Welle parallel und radial beabstandet zur Kurbelwelle angeordnet ist.
  • Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist die stirnseitige Verstellung des Kompressionsverhältnisses, die viel Bauraum benötigt. Ferner lässt sich diese Vorrichtung nicht in ein bestehendes Kurbelgehäuse integrieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, o. g. Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Es wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung (ein Synchronisationsgetriebe) zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche um die lasttragenden Kurbelwellenstrukturen außen herum agiert und gleichzeitig die notwendigen Drehzahlverhältnisse sicherstellt. Hierbei bewegen sich die im Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Zahnräder (drittes und viertes Zahnrad) nur bei der Verstellung des Kompressionsverhältnisses, nicht jedoch ständig aufgrund der Drehung der Kurbelwelle. Die Vorrichtung selber ist hierbei Platz sparend drehbar im Kurbelgehäuse gelagert.
  • Die nach Patentanspruch 1 vorgeschlagene Vorrichtung ist geeignet für eine Einzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist für eine mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine geeignet.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 baut besonders kompakt.
  • Die Antriebe des dritten oder vierten Zahnrades gemäß Patentanspruch 4 sind besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.
  • Die Anordnung gem. Patentanspruch 5 baut besonders kompakt und kann mit nur geringen Änderungen in ein vorhandenes Kurbelgehäuse integriert werden.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 ist eine Ausführungsvariante.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in fünf Figuren näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern.
    Fig. 2
    zeigt schematisch eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern.
    Fig. 3
    zeigt schematisch eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel.
    Fig. 4
    zeigt schematisch eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel.
    Fig. 5
    zeigt eine technische Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei die Kurbelwelle nicht dargestellt ist.
  • Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in den Figuren 1 bis 5 die gleichen Bezugsziffern.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern.
  • Als Verdichtungsverhältnis ε bezeichnet man das Verhältnis eines gesamten Zylinderraumes einer Brennkraftmaschine vor der Verdichtung zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung. ε = V H + V K V K
    Figure imgb0001
     mit
    • VH = Hubraum (Kolbenhub * Kolbenfläche)
    • VK = Kompressionsvolumen
  • Die Hubkolben-Brennkraftmaschine weist einen Kurbeltrieb 1 auf, mit einer gestrichelt dargestellten Kurbelwelle 2 mit zwei beiderseits drehbeweglich gelagerten Hubzapfen 3, 3', die jeweils mit einem Pleuel 4, 4' und jeweils einem in einem Zylinder 5, 5' der Hubkolben-Brennkraftmaschine bidirektional schiebebeweglich angeordneten Kolben 6, 6' in Wirkverbindung stehen. Eine Kurbelwellenachse ist mit 2' beziffert. Dieser Teil der Vorrichtung dient zur Wandlung einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle 2 in eine bidirektionale, translatorische Bewegung der Kolben 6, 6' mit einer definierten Hubhöhe. Zwischen den Hubzapfen 3, 3' und nicht bezifferten Pleuelaugen der Pleuel 4, 4' ist jeweils ein drehbeweglicher, außen verzahnter Exzenter 7, 7' angeordnet zur Veränderung der Hubhöhe der Kolben 6, 6'. Zum Verdrehen des Exzenters 7 ist ein außen verzahntes erstes Zahnrad 8 vorgesehen, das axial mit einem zweiten Zahnrad über eine zur Kurbelwelle 2 parallel angeordnete Weller10 drehfest verbunden ist. Das zweite Zahnrad 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel über das dritte Zahnrad 12 drehfest mit einem vierten Zahnrad 13 verbunden, welches einen größeren Außendurchmesser aufweist als das umlaufende zweite Zahnrad 9. Das vierte Zahnrad 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel über ein Stellelement 11 drehbeweglich verstellbar. Das dritte und vierte Zahnrad 12, 13 sind drehbar in einem Kurbelgehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine gelagert. Durch die Verstellung des vierten Zahnrades 13 wird, wie bereits gesagt, der Exzenter 7 verdreht und somit das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine verändert. Erfindungsgemäß ist die Welle 10 parallel und radial nach außen beabstandet zur Kurbelwelle 2 angeordnet. Dabei kann die Drehbewegung der Kurbelwelle 2 und die Verstellbewegung des vierten Zahnrades 13 gleichzeitig und unterschiedlich schnell erfolgen.
  • Dieser grundsätzliche Verstellmechanismus bzw. diese Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses der Hubkolben-Brennkraftmaschine kann für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder Verwendung finden.
  • Da jedoch im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern dargestellt ist, greift in die Außenverzahnung des Exzenters 7 ein fünftes Zahnrad 14 ein, welches drehfest über eine parallel zur Kurbelwellenachse 2' angeordnete zweite Welle 15 drehfest mit einem sechsten Zahnrad 14' verbunden ist, welche die Verstellbewegung des fünften Zahnrades 14 auf eine Außenverzahnung des zweiten Exzenters 7' überträgt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das vierte Zahnrad 13 entfallen und das Stellelement 11 wirkt direkt auf das dritte Zahnrad 12 ein.
  • In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist die zweite Welle 14 in einer axialen Durchgangsbohrung der Kurbelwelle 2 koaxial zur Kurbelwelle 2 angeordnet, was eine sehr platzsparende Bauweise erlaubt. In weiteren Ausführungsbeispielen können das dritte oder das vierte Zahnrad 12, 13 von dem Stellelement 11 über ein siebtes Zahnrad oder eine Zahnstange oder eine Schnecke oder einen Schieber verdreht werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern. Die zwei mittleren Zylinder zeigen wieder die gleiche Kinematik wie Fig. 1, jedoch sind benachbart zu den zwei mittleren Zylindern auf jeder Seite zwei weitere nicht bezifferte Zylinder mit dem gleichen Kurbeltrieb angeordnet, die jeweils einen Durchtrieb mit einer zweiten Welle 15 aufweisen, zur Veränderung des Kompressionsverhältnisses der vier weiteren, nicht bezifferten Zylinder.
  • In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Zylinder 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine eine hohe Verdichtung 16 und der Zylinder 6' eine niedrige Verdichtung 17 auf.
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine Stirnansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein konkretes Ausführungsbeispiel, wie es in den Figuren 1 und 2 zum Einsatz kommen kann. In diesem real funktionierenden Ausführungsbeispiel weisen die Zahnräder folgende Zähnezahlen auf:
    Exzenter 7: 55 Zähne
    Erstes Zahnrad 8: 15 Zähne
    Zweites Zahnrad 9 36 Zähne
    Drittes Zahnrad 12: 66 Zähne
    Viertes Zahnrad 13: 148 Zähne
  • Die Drehrichtungen der einzelnen Zahnräder zu einem größeren Kompressionsverhältnis hin sind durch Pfeile schematisch eingezeichnet. Die Zylinderrichtung ist dabei nach oben, d. h. in Richtung des Hubzapfens, bzw. des Exzenters 3.
  • Fig. 4 zeigt schematisch eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel. Es gilt im Wesentlichen das zu Fig. 3 gesagte, jedoch ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel zwischen dem ersten Zahnrad 8 und dem fünften Zahnrad 14 ein Zwischengetriebe 19 angeordnet, welches in diesem Ausführungsbeispiel aus nur einem einzigen Zahnrad besteht.
  • Die Drehrichtungen der einzelnen Zahnräder zu einem größeren Kompressionsverhältnis hin sind wiederum durch Pfeile schematisch eingezeichnet.
  • Fig. 5 zeigt eine technische Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Kurbelwelle 2 und ein Kurbelgehäuse sind nicht dargestellt. In Fig. 5 sind drei Lagerungsrollen 20 für das vierte Zahnrad 13 erkennbar, mit denen das vierte Zahnrad 13 radial außen gegenüber dem Kurbelgehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist. Bevorzugt werden drei Lagerungsrollen 20 für eine statisch bestimmte Lagerung vorgesehen. Wie in Fig. 5 weiter erkennbar ist, ist die Vorrichtung Platz sparend zwischen zwei Zylindern 5, 5' der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet, wodurch sie in ein bestehendes Kurbelgehäuse ohne viel Nacharbeit integriert werden kann.
  • Mit anderen Worten, zusammengefasst gesagt:
  • Es wird somit ein Synchronisationsgetriebe vorgeschlagen, welches um die lasttragenden Kurbelwellenstrukturen außen herum agiert und die notwendigen Drehzahlverhältnisse sicherstellt. Hierbei bewegen sich die in dem Kurbelgehäuse gelagerten Zahnräder 12, 13 nur während der Verstellung des Kompressionsverhältnisses, nicht jedoch ständig aufgrund der Drehung der Kurbelwelle 2. Zwischen zwei Kröpfungen der Kurbelwelle erfolgt die Synchronisation durch die Mitte des Grundlagerzapfens der Kurbelwelle 2, da dieser ohnehin oft hohl ist, da an dieser Stelle der Kurbelwelle kaum eine Last übertragen wird.
  • Somit ist ein System vorgeschlagen, welches keine Reibungsnachteile durch einen größeren Kurbelwellendurchmesser generiert.
  • Bei geeigneter Dimensionierung der Gleitlager innen und außen an der exzentrischen Lagerschale (Breite x Durchmesser3 sind innen und außen in etwa gleich), drehen sich diese von selbst mit der halben Kurbelwellendrehzahl, so dass im Mittel keine Antriebsenergie anfällt. Die Summe der Reibung der in diesen beiden je Hubzapfen in Reihe geschalteten Gleitlager kann sogar geringer sein, als das eine ursprüngliche Hubzapfengleitlager aus dem Stand der Technik, sofern nämlich die Summe der beiden Lagerspiele größer bleiben kann als das des ursprünglichen einen Gleitlagers (die Reibleistung ist proportional zur Relativdrehzahl im Quadrat geteilt durch das Lagerspiel).
  • Da die Stellung des kurbelgehäuseseitigen Stellelements 11 eindeutig das eingestellte Kompressionsverhältnis wiederspiegelt (im Unterschied zu bekannten Systemen, die nur einen Anschlag aufweisen und das System sich unter den wirkenden Kräften selbst verstellen kann), kann eine Ventilhubverstellvorrichtung (z. B. BMW Valvetronic) eine mechanische Koppelung von Ventilhub oder Phasenwinkel des Ventilhubs mit dem Verdichtungsverhältnis erfolgen. Ein Beispiel für die Kombination von einem variablen Verdichtungsverhältnis mit einem variablen Ventiltrieb ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 015 887 A1 bekannt. Da im Allgemeinen bei hoher Last niedrige Verdichtung mit großen Ventilhüben und geringer Ventilüberschneidung und umgekehrt kombiniert werden, können somit Ventilfreigänge im Kolben minimiert werden, was durch eine günstigere Brennraumform weitere thermodynamische Kraftstoffverbrauchspotentiale erschließt.
  • Somit werden erfindungsgemäß Verbrauchsvorteile zu üblichen Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit bauraumkonformer Technologie bei sehr geringer Verstellenergie erschlossen. Weiter ist eine maximale Nutzung des Potentials des variablen Verdichtungsverhältnisses durch direkte, kontinuierliche sowie schnelle Einstellbarkeit erzielt.
  • Es wird weiter ein Stellantrieb zwischen zwei Zylindern 5, 5' vorgeschlagen, bestehend aus einem verdrehbaren, zwecks Montage um die einstückige Kurbelwelle 2 geteilten Stellrad (viertes Zahnrad 13), das z. B. mittels Lagerungsrollen 20 im Kurbelgehäuse gelagert ist, siehe Fig. 5.
  • Mit dessen inneren Zahnrad (drittes Zahnrad 12) kämmt ein Zahnrad (zweites Zahnrad 9) einer in der Kurbelwelle 2 gelagerten, umlaufenden Abnehmerwelle (Welle 10), während deren zweites Zahnrad (erstes Zahnrad 8) in die Verzahnung der einzustellenden Lagerschale (Exzenter 7) eingreift und somit direkt auf eine der miteinander synchronisierten Lagerschalen (Exzenter 7, zweiter Exzenter 7') drehzahl- und phasenstellend wirkt.
  • Die Zähnezahlen sind so gewählt, dass die Lagerschale (Exzenter 7) mit der gewünschten Geschwindigkeit um den Hubzapfen 3 der Kurbelwelle 2 rotiert. Bei stehendem Stellrad (viertes Zahnrad 13) bleibt der Phasenwinkel der Rotation und somit die Verdichtung der Hubkolben-Brennkraftmaschine konstant.
  • Diese kann durch Verdrehen desselben, z.B. mittels eines Schneckentriebs und eines darauf wirkenden Stellmotors, im Kurbelgehäuse eingestellt werden. Damit ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Winkel des Stellrades (viertes Zahnrad 13) im Kurbelgehäuse und der eingestellten Verdichtung.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Kurbeltrieb
    2.
    Kurbelwelle
    2'
    Kurbelwellenachse
    3.
    Hubzapfen
    3'
    zweiter Hubzapfen
    4.
    Pleuel
    4'
    zweites Pleuel
    5.
    Zylinder
    5'
    zweiter Zylinder
    6.
    Kolben
    6'
    zweiter Kolben
    7.
    Exzenter
    7'
    zweiter Exzenter
    8.
    erstes Zahnrad
    9.
    zweites Zahnrad
    10.
    Welle
    11.
    Stellelement
    12.
    drittes Zahnrad
    13.
    viertes Zahnrad
    14.
    fünftes Zahnrad
    14'
    sechstes Zahnrad
    15.
    zweite Welle
    16.
    hohe Verdichtung
    17.
    niedrige Verdichtung
    18.
    Kurbelwellenhauptlager
    19.
    Zwischengetriebe
    20.
    Lagerungsrolle

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Verändern eines Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb (1) mit einer Kurbelwelle (2) mit zumindest einem beiderseits drehbeweglich gelagerten Hubzapfen (3), der mit einem Pleuel (4) und einem in einem Zylinder (5) der Hubkolben-Brennkraftmaschine schiebebeweglich angeordneten Kolben (6) in Wirkverbindung steht, zur Wandlung einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle (2) in eine bidirektionale, translatorische Bewegung des Kolbens (6) mit einer definierten Hubhöhe, wobei zwischen dem Hubzapfen (3) und einem Pleuelauge des Pleuels (4) ein drehbeweglicher, außenverzahnter Exzenter (7) angeordnet ist zur Veränderung der Hubhöhe des Kolbens (6), wobei zur Verdrehung des Exzenters (7) ein außenverzahntes erstes Zahnrad (8) vorgesehen ist, das axial mit einem zweiten Zahnrad (9) über eine zur Kurbelwelle (2) parallel angeordnete Welle (10) drehfest verbunden ist, welches auf einem, von einem Stellelement (11) verdrehbaren dritten Zahnrad (12) kämmend angeordnet ist, wobei die Welle (10) parallel und radial nach außen beabstandet zu einer Drehachse Kurbelwelle (2) angeordnet ist, wobei ein viertes Zahnrad (13) vorgesehen ist, welches drehfest mit dem dritten Zahnrad (12) verbunden ist, wobei das vierte Zahnrad (13) einen größeren Außendurchmesser aufweist als das dritte Zahnrad (12) und das vierte Zahnrad (13) von dem Stellelement (11) verdrehbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Zahnrad (13) in einem Innenraum eines Kurbelgehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist.
  2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei die Kurbelwelle (2) einen zweiten Hubzapfen (3') aufweist, der mit einem zweiten Pleuel (4') und einem in einem zweiten Zylinder (5') der Hubkolben-Brennkraftmaschine schiebebeweglich angeordneten zweiten Kolben (6') in Wirkverbindung steht, zur Wandlung der rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle (2) in eine bidirektionale, translatorische Bewegung des zweiten Kolbens (6') mit einer definierten Hubhöhe, wobei zwischen dem zweiten Hubzapfen (3') und einem zweiten Pleuelauge des zweiten Pleuels (4') ein drehbeweglicher, außenverzahnter zweiter Exzenter (7') angeordnet ist zur Veränderung der Hubhöhe des zweiten Kolbens (6'),
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdrehung des zweiten Exzenters (7') ein außenverzahntes fünftes Zahnrad (14) vorgesehen ist, das axial mit einem sechsten Zahnrad (14') über eine zur Kurbelwelle parallel angeordnete zweite Welle (15) drehfest verbunden ist, wobei das sechste Zahnrad (13) mit dem außenverzahnten Exzenter (7) in Wirkverbindung ist.
  3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle (15) in einer axialen Durchgangsbohrung der Kurbelwelle (2) koaxial zur Kurbelwelle (2) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das dritte oder das vierte Zahnrad (12, 13) von dem Stellelement (11) über ein siebtes Zahnrad oder eine Zahnstange oder eine Schnecke oder einen Schieber verdrehbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) und das dritte Zahnrad (12) und das vierte Zahnrad (13) zwischen dem ersten Zylinder (5) und dem zweiten Zylinder (5') angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Zahnrad 8 und dem fünften Zahnrad 14 ein Zwischengetriebe 19 angeordnet ist.
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