WO2006117080A1 - Verstellvorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung (12) für eine Brennkraftmaschine mit in einem Gehäuse angeordneten Zylindern, einer Kurbelwelle und Kolben, die sich in den Zylindern bewegen. Die Verstellvorrichtung (12) weist für wenigstens einen Zylinder folgende Elemente auf : einen Abnehmer (15) , der eine Verstellung einer verstellbaren Einrichtung eines Zylinderabschnittes bewirkt und ein Verstellelement, das mit dem Abnehmer in Wirkverbindung steht und das Verstellelement auf einer Verstellwelle (9) beweglich angeordnet ist. Die Verstellwelle (9) ist durch einen Aktuator translatorisch mit einem Kegel als Verstellelement und/oder rotatorisch mit einem Exzenter (8) als Verstellelement bewegbar.

Description

Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 11.

Aus der EP 1 307 642 Bl ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis bekannt, bei der zwischen einer Pleuelstange und der Kurbelwelle ein Querhebel angeordnet ist, der seinerseits mit einer Nebenpleuelstange verbunden ist. Diese NebenpleuelStange ist weiterhin über einen Exzenter mit einer Exzenterwelle verbunden. Durch Drehen der Exzenterwelle und des darauf angeordneten Exzenters wird die Nebenpleuelstange bewegt. Über den Querhebel wird dadurch die Pleuelstange und ein daran befestigter Kolben verschoben und dabei das Verdichtungsverhältnis verändert. Ein Verstellen der Exzenterwelle erfolgt durch einen separat geschalteten Motor oder über ein Getriebe von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aus. Beim Verstellen sind je nach Stellung des Kolbens und der Pleuelstange erhebliche Kräfte zu überwinden, um die gesamte Wirkkette mechanischer Übertragungselemente im ungünstigsten Falle gegen den Verbrennungsdruck zu verstellen. Eine ähnliche Problemstellung tritt bei Betätigungselementen für die Steuerung der Gaswechselventile auf, innerhalb deren Wirkkette ebenfalls eine schwankende Belastung stattfindet. Auch hier ist im ungünstigsten Falle ein Verstellen des Verlaufes der Ventilerhebung gegen die gesamte Federkraft der Ventilfeder plus zusätzlich eventueller Massenkräfte aus der Ventilbewegung erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die mit geringem Energieaufwand ein Verstellen einer schwankend belasteter Wirkkette mechanischer Übertragungselemente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Verstellvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 11 und 15 gelöst.

Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung weist für wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine einen Abnehmer und ein Verstellelement auf. Der Abnehmer, der beispielsweise als Hebel ausgebildet ist, bewirkt eine Verstellung einer verstellbaren Einrichtung eines Zylinderabschnittes. Diese Einrichtung dient beispielsweise einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses oder einer Hubkurve eines Gaswechselventiles . Weiterhin weist die Verstellvorrichtung ein Verstellelement auf, das auf einer Verstellwelle beweglich gelagert ist und mit dem Abnehmer in Wirkverbindung steht. Der Abnehmer gleitet auf dem Verstellelement. Durch Bewegen des Verstellelements wird über eine schräge Fläche am Verstellelement wie beispielsweise einer schiefen Ebene der Abnehmer bewegt. Ist der Abnehmer als Hebel ausgeführt, lässt sich mit dieser Bewegung des Hebels beispielsweise die Lage eines Querhebels im Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine mit Knickpleuel verändern, wodurch das Verdichtungsverhältnis geändert wird. Auch bei einer Einrichtung zur Steuerung der Gaswechselventile, die eine Veränderung der Hubkurve der Gaswechselventile ermöglicht und die sich beispielsweise veränderlicher Hebellängen an Schlepp- oder Kipphebel bedient, ist es möglich, die dem Verstellelement abgewandte Seite des Abnehmers mit der Einrichtung zur Steuerung der Gaswechselventile zu verbinden und über diesen Eingriff in die Wirkkette die Hubkurve zu verändern. Als Ausgangspunkt besteht die Vorstellung, dass bei einer Verstellung einer Einstellung einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise des Verdichtungsverhältnisses oder einer Ventilhubkurve eines Gaswechselventils, deren Belastung einen stark schwankenden Wert aufweist. Dabei ist es vorteilhaft Verstellbewegungen entgegen einer schwankenden Kraft genau dann auszuführen, wenn die schwankende Kraft einen Kleinstwert aufweist. Verstellbewegungen, die in ihrer Bewegung von der schwankenden Kraft unterstützt werden, können zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgeführt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verstellwelle durch einen Aktuator translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar. Der Aktuator ist beispielsweise ein von einem Steuergerät angesteuerter Elektromotor, ein mechanischer oder ein hydraulischer Antrieb. Je nach Ausführung des Verstellelementes verschiebt oder dreht der Aktuator die Verstellwelle, um eine Veränderung des darauf angeordneten Verstellelementes zu erwirken und damit über den Abnehmer einen Verstellvorgang einzuleiten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Wirkverbindung zwischen dem Verstellelement und dem Abnehmer eine Selbsthemmung auf. Dies bedeutet, dass eine schräge Fläche am Verstellelement, auf der der Abnehmer während des Verstellvorganges gleitet, nur so leicht geneigt ist, dass sich das Verstellelement auch bei guten Reibverhältnissen nicht durch die Kraft des Abnehmers auf der Verstellwelle bewegt .

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Bewegung des Verstellelements auf der Verstellwelle durch Anschläge begrenzt, um dadurch vorbestimmte Endwerte der Bewegung des Verstellelements und des Abnehmers zu erhalten. Erste Anschläge auf der Verstellwelle begrenzen durch darauf abgestimmte zweite Anschläge am Verstellelement die Bewegung des Verstellelements. Die Anschläge können konstruktiv festgelegt sein oder sie können durch eine Bewegung der Verstellwelle in ihren Endlagen veränderbar sein und damit unterschiedliche Endwerte ermöglichen. Die Hauptaufgabe der Anschläge ist jedoch, eine Bewegung des Verstellelements einzuleiten und gegebenenfalls auszuführen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an der Verstellvorrichtung eine Feder vorgesehen, die die Bewegung des Verstellelements auf der Verstellwelle in eine Richtung unterstützt. Da zwischen dem Abnehmer und dem Verstellelement erfindungsgemäß eine Reibverbindung mit Selbsthemmung vorgesehen ist, findet ein selbsttätiges Verstellen aufgrund einer Kraft des Aufnehmers auf das Verstellelement im Allgemeinen nicht statt. Wenn jedoch die Hemmkraft der Selbsthemmung mittels einer Federkraft überwunden werden kann, ist es möglich, einen Verstellvorgang mit einer Kraft auf den Abnehmer einzuleiten. Um dies zu ermöglichen, ist die Federkraft so auszulegen, dass sie in gespanntem Zustand gerade die Hemmkraft der Selbsthemmung überwindet. Die Feder wird durch Bewegen der Verstellwelle gespannt. Die Feder kann als Zugfeder oder Druckfeder ausgeführt sein. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verstellelement als Exzenter ausgeführt, der auf der Verstellwelle drehbar gelagert ist. Anschläge, die die Bewegung des Verstellelements begrenzen, sind als den Drehwinkel begrenzende Anschläge auf dem Exzenter und auf der Verstellwelle angeordnet. Ein Exzenter stellt eine geometrische Übertragung einer schiefen Ebene auf einen Kreiskörper dar. Bei einer Drehung des Exzenters auf oder mit der Verstellwelle führt ein auf der Exzenterfläche gleitender Abnehmer eine Bewegung aus, die zur Verstellung einer beliebigen Vorrichtung verwendbar ist. Die erfindungsgemäße Selbsthemmung lässt sich auf einfache Weise über das Maß der Exzentrizität erreichen, das heißt über den Abstand zwischen der Drehachse und der Mitte des Exzenters. Um ein unbegrenztes Drehen des Exzenters und damit ein unbegrenztes Oszillieren des Abnehmers zu verhindern sind der Exzenter und die Verstellwelle mit Anschlägen versehen. Weiterhin dienen die Anschläge der Übertragung einer Drehbewegung der Verstellwelle auf den Exzenter.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verstellelement der Vorrichtung als Kegel ausgeführt, der auf der Verstellwelle axial verschiebbar ist. Bei einer Längsbewegung des Kegels auf der Verstellwelle führt ein auf der Kegelfläche gleitender Abnehmer eine Bewegung aus, die zur Verstellung einer beliebigen Vorrichtung verwendbar ist. Die erfindungsgemäße Selbsthemmung lässt sich auf einfache Weise über die Wahl des Kegelwinkels erreichen. Durch die Ausführung des Verstellelementes als Kegel lässt sich der axialen Verstellbewegung eine Drehbewegung überlagern, die ein leichteres und reibungsärmeres Verstellen und Ansteuern ermöglicht. Es ist aber auch möglich, das Verstellelement nur axial ohne Drehbewegung zu verstellen. Da in diesem Falle ein Kegel als Verstellelement nicht zwingend erforderlich ist, ist es möglich, einen Körper mit einer schrägen Fläche, der entlang der Verstellwelle verschoben werden kann, als Verstellelement auszubilden. Um ein ungewolltes axiales Verschieben des Verstellelementes zu verhindern, sind auf der Verstellwelle bevorzugt zwei die Axialbewegung begrenzende Anschläge vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bildet die verstellbare Einrichtung eines Zylinderabschnittes eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses . Durch die Bewegung des Abnehmers kann in diesem Falle beispielsweise über Zwischenglieder die Länge einer Pleuelstange, der Hub der Kurbelwelle oder die Geometrie weiterer das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine bestimmender Bauteile verändert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entsprechen die durch Anschläge bestimmte Endstellungen des Drehwinkels einem höchsten und einem niedrigsten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine. Bei einer Verstellung wird das Verstellelement jeweils bis an den Anschlag verschoben und somit ein größtes oder kleinstes Verdichtungsverhältnis eingestellt. Falls ein beliebiger Zwischenwert erwünscht ist, ist es möglich, den Anschlag auf oder mit der Verstellwelle entsprechend zu verschieben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bildet die Einrichtung eine Vorrichtung zur Verstellung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form einer Ventilhubkurve von Gaswechselventilen. Da Übertragungselemente im Ventiltrieb zwischen einer Nockenwelle und dem Gaswechselventil, wie beispielsweise Stößelstangen, Schlepphebel, Schwinghebel oder Kipphebel, schwankend belastet werden und gleichzeitig bei einem Eingriff zur Veränderung der Ventilhubkurve meist eines oder mehrere Glieder dieser Wirkkette verändert werden, ist es vorteilhaft, dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchzuführen. Mit der Bewegung, die vom Verstellelement auf den Aufnehmer übertragen wird, ist es möglich, an einer beliebigen Stelle in der Wirkkette zwischen Nockenwelle und Gaswechselventil einzugreifen und beispielsweise eine Hebellänge oder einen Verstellwinkel zu ändern, um dadurch die Ventilhubkurve einem anderen Betriebspunkt anzupassen. Da die Belastung innerhalb der Wirkkette schwankend ist, ist es vorteilhaft, Verstellvorgänge entsprechend den Kräften innerhalb der Wirkkette vorzunehmen. Das heißt, dass ein Verstellen entgegen der Kraft in der Wirkkette nur innerhalb der Abschnitte mit geringem Kraftniveau stattfindet, wohingegen ein Verstellen in eine entgegengesetzte Richtung mit Unterstützung der Kräfte innerhalb der Wirkkette stattfindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Versteil- Vorrichtung für das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in Richtung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses dadurch erfolgt, dass die Verstellwelle in eine erste Richtung bewegt wird und mittels eines Anschlages das Verstellelement bewegt. Dabei unterstützt die Gaskraft aus der Verbrennung in einem Brennraum oberhalb des Kolbens über den Abnehmer die Bewegung des Verstellelements. Dieses Verfahren wird in dem Fall angewendet, dass die schwellende Gaskraft aus der Verbrennung als Unterstützung des Verstellvorganges herangezogen wird. Das ist bei einer Verstellung von hohem in Richtung niedrigem Verdichtungsverhältnis der Fall. Dabei gleitet oder rollt der Abnehmer auf der schiefen Ebene des Verstellelementes abwärts, das heißt, der Abnehmer bewegt sich auf dem Exzenter in Richtung Drehachse beziehungsweise der Abnehmer bewegt sich auf dem Kegel in Richtung Kegeispitze. Durch die Selbsthemmung der Verbindung kann die Gaskraft das Verstellelement nicht von selbst bewegen, jedoch wirkt sie beim von einem Aktuator ausgelösten VersteilVorgang unterstützend auf den Verstellvorgang. Der VersteilVorgang wird vom Aktuator aktiv eingeleitet. Da der Aktuator nur die Reibung und Selbsthemmung überwinden, nicht jedoch gegen die Gaskraft arbeiten muss, ist für den Verstellvorgang nur eine geringe Leistung erforderlich, die von einem Elektro- oder Hydraulikantrieb ohne große Verluste erbracht werden kann. Das Verstellelement, das heißt der Exzenter oder der Kegel, werden von einem Anschlag auf der Verstellwelle so weit bewegt, bis die gewünschte Endlage erreicht ist. Ein weiteres selbsttätiges Verstellen findet aufgrund der Selbsthemmung nicht statt.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses dadurch, dass in einem ersten Schritt die Verstellwelle in eine zweite Richtung bewegt wird, die entgegengesetzt der Richtung zeigt, in die beim Verstellen zu niedriger Verdichtung bewegt wurde. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Feder zwischen dem Verstellelement und der Verstellwelle gespannt und während eines Zeitabschnittes mit Entlastung des Kurbeltriebes des zugehörigen Zylinders bewegt die Feder in einem weiteren Verfahrensschritt das Verstellelement und damit den Abnehmer. Um den Bauraum-, Verbrauchs- und Kostenvorteil eines kleinen und leistungsschwachen Aktuators nutzen zu können, ist ein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses in Richtung hoher Verdichtung nur in mehreren Verfahrensschritten möglich, da dies entgegen der schwellenden Belastung erfolgt, die aus der Gaskraft resultiert. Durch das Bewegen der Verstellwelle wird zu einem beliebigen Zeitpunkt ein VersteilVorgang eingeleitet indem eine Feder zwischen der Verstellwelle und dem Verstellelement gespannt wird. Dies kann eine Zug- oder Druckfeder sein. Der Aktuator hat bei diesem Vorgang nur die Federkraft dieser Feder zu überwinden. Ein Bewegen des Verstellelementes durch einen Anschlag auf der Verstellwelle findet nicht statt. Durch den schwellenden Verlauf der Gaskraft und damit auch der Kraft, die überwunden werden muss, um ein hohes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, ist der Kraftverlauf ebenfalls schwellend in einer Vorrichtung, die dies bewirkt. Das bedeutet, dass eine Kraft des Abnehmers auf das Verstellelement ebenfalls einen schwellenden Verlauf aufweist, da der Abnehmer mittelbar oder unmittelbar das Verdichtungsverhältnis verändert. Ein Verstellen in Richtung hoher Verdichtung bedeutet, dass der Abnehmer entgegen seiner Kraftrichtung auf das Verstellelement durch eine Bewegung des Verstellelementes bewegt wird. Diese Bewegung erfolgt in den Zeitabschnitten, in denen die schwellende Kraft des Abnehmers auf das Verstellelement ein Minimum oder negative Werte aufweist und wird durch die vorgespannte Feder ausgelöst. Das Bewegen des Verstellelementes und damit auch des Abnehmers kann in einem oder mehreren Teilschritten erfolgen und ist abhängig von der Federkraft und der Dauer des Zeitabschnittes mit einem Minimum der schwellenden Kraft. Eine starke Feder bewegt auch in einem kurzen Zeitabschnitt das Verstellelement, benötigt jedoch einen starken Aktuator. Die Kraft des Abnehmers auf das Verstellelement lässt sich in eine Normalkraft auf die Fläche und eine Axialkraft in Richtung der Verstellwelle zerlegen. Die Feder ist so ausgelegt, dass sie beim Verstellen in Richtung hoher Verdichtung die Axialkraft und eventuell anfallende Reibkräfte überwindet und noch eine überschüssige Kraft zum Verstellen verbleibt. Die Bewegung des Verstellelementes aufgrund der Federkraft erfolgt so weit, bis das Verstellelement an einem Anschlag anliegt. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden unterschiedliche größte oder kleinste Verdichtungsverhältnisse durch unterschiedliche Lagen der Verstellwelle und der zugehörigen Anschläge mittels des Aktuators eingestellt. Dadurch dass der Aktuator das Verstellelement nicht bis an eine mögliche Endstellung bewegt, sondern mittels der Anschläge Zwischenwerte einstellbar macht, ist es möglich, beliebige Zwischenwerte des

Verdichtungsverhältnisses einzustellen. Dazu ist ein genaue Ansteuerung der Aktuator- und Verstellwellenbewegung erforderlich, die von einem Steuergerät beispielsweise über den Drehwinkel der Verstellwelle erfolgt.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Veränderung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form der Ventilhubkurve der Gaswechselventile dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Aktuator die Verstellwelle bewegt und danach das Verstellelement durch Federkraft vorgespannt gegen den Abnehmer drückt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Verstellelement zu einem Zeitpunkt mit geringer Gegenkraft vom Hebel auf das Verstellelement entgegen der Kraft des Abnehmers verstellt. In einem letzten Verfahrensschritt wird das Verstellelement bis an einen Anschlag bewegt und verbleibt dort in einer stabilen Lage. Im Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine nimmt die Kraft, die zwischen einem Nocken einer Nockenwelle und einem Gaswechselventil über Stößelstangen, Hebel oder sonstige Übertragungselemente wirkt, einen schwellenden Verlauf ein. In Zeitabschnitten, in denen das Ventil geschlossen ist und der Kraftangriffspunkt am Nocken auf dem so genannten Grundkreis des Nockens verläuft, ist die Kraft in der Wirkkette sehr gering und nur so groß, dass ein Klappern oder Abheben der der einzelnen Elemente vermieden wird. Während dieser Zeitabschnitte ist es ohne große Kräfte möglich, einen Teil in der Wirkkette so zu verändern, dass eine Veränderung der Ventilhubkurve eintritt. Dies geschieht dadurch, dass das Verstellelement in Form eines Exzenters oder Kegels so bewegt wird, dass der Abnehmer in der Endstellung des Verstellelementes den großen Außendurchmesser des Verstellelementes berührt. Um jedoch unabhängig von der Kolbenstellung im Zylinder und unabhängig von der Ventilstellung einen Verstellvorgang einzuleiten, ist es notwendig, den Verstellvorgang in mehreren Schritten durchzuführen. Dies wird erreicht durch Vorspannen der Feder zu einem beliebigen Zeitpunkt und Auslösen des Verstellvorganges durch Verschieben des Verstellelementes mittels der vorgespannten Feder zu einem Zeitabschnitt mit geringer Gegenkraft des Abnehmers auf das Verstellelement. Das Verschieben des Verstellelementes erfolgt bis an den zugehörigen Anschlag. Das Verschieben kann in einer durchgehenden Bewegung oder in mehreren unterbrochenen Bewegungen erfolgen. Die Bewegung kann beispielsweise dadurch unterbrochen werden, dass die Kraft des Abnehmers auf das Verstellelement aufgrund der Ventilhubkurve so groß ist, dass die Feder der Verstelleinrichtung das Verstellelement nicht mehr in der Lage ist zu verschieben.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Veränderung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form der Ventilhubkurve der Gaswechselventile in eine zweite Ausführung dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Aktuator die Verstellwelle bewegt und der Anschlag an das Verstellelement stößt. In einem weiteren Verfahrensschritt verschiebt die Verstellwelle mit dem Anschlag das Verstellelement in eine zweite Lage, wobei die Bewegung durch den Abnehmer unterstützt wird und der Aktuator genau die Selbsthemmung zwischen dem Abnehmer und dem Verstellelement überwinden muss. Bei einer Bewegung des Abnehmers auf dem Verstellelement, die auf Grund der Richtung der schrägen Fläche am Verstellelement durch die Kraft des Abnehmers auf das Verstellelement unterstützt wird, ist nur eine geringe Aktuatorleistung dazu notwendig. Auf Grund der Selbsthemmung ist ein selbsttätiges oder ungeregeltes Verstellen vermieden.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungs- beispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit eine Vorrichtung zur

Verstellung des Verdichtungsverhältnisses und einer erfindungsgemäßen VersteilVorrichtung, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung mit einem

Exzenter und Fig. 3 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung mit einem

Kegel .

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, die eine Vorrichtung 2 zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses aufweist. Die Brennkraftmaschine weist einen Kolben 3 auf, der über eine Hauptpleuelstange 4 und einem Querhebel 5 mit einer Kurbelwelle 6 verbunden ist und die auf den Kolben wirkende Gaskraft in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umwandelt. Der Querhebel 5 ist weiterhin über eine NebenpleuelStange 7 an einem Exzenter 8 abgestützt. Der Exzenter 8 ist auf einer Verstellwelle 9 gelagert. Durch Drehen des Exzenters 8 wird die Nebenpleuelstange 7 verschoben, wodurch seinerseits der Querhebel 5 gedreht wird. Dadurch wird über die Hauptpleuelstange 4 der Kolben 3 in seiner Lage im Zylinder 10 verändert, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis verändert. Bei einer Bewegung des Kolbens nach oben steigt das Verdichtungsverhältnis, bei einer Bewegung nach unten verringert sich das Verdichtungsverhältnis, wenn vorausgesetzt ist, dass die Kurbelwelle 6 ihre Lage im Gehäuse 11 beibehält. Mit der Wahl geeigneter Hebellängen von Haupt-, Nebenpleuel und vom Querhebel lässt sich mit kleinen Exzenterbewegungen das Verdichtungsverhältnis verändern. Während der Verbrennung wirkt der Gasdruck über den Kolben 3 auf die Kurbelwelle 6 und über den Querhebel 5 und die NebenpleuelStange 7 auch auf den Exzenter 8 und die Verstellwelle 9. Daher wird ein Verstellen in Richtung niedriger Verdichtung von der Gaskraft unterstützt, die jedoch auf Grund der Selbsthemmung zwischen Exzenter 8 und Verstellwelle 9 den Exzenter nicht selbsttätig verstellen können. Beim Verstellen in Richtung hoher Verdichtung muss die Verstellwelle 9 und der Exzenter 8 entgegen die Wirkung der Gaskraft verstellt werden. Da die Gaskraft und auch die Massenkraft aufgrund der oszillierenden Kolbenbewegung einen stark schwellenden Verlauf aufweist, findet ein Verstellen in den Zeitabschnitten statt, in denen die Gas- und Massenkraft einen Minimalwert aufweisen.

In Fig. 2 ist die Verstellvorrichtung 12 bestehend aus dem Exzenter 8 und der Verstellwelle 9 gezeigt. Der Exzenter 8 ist um eine Mittelachse 13 der Verstellwelle drehbar gelagert und hat einen Drehwinkelbereich von weniger als 180°. Der Drehwinkel ist in beiden Richtungen durch exzenterfeste und verstellwellenfeste Anschläge 14 begrenzt. Beim Drehen des Exzenters 8 um die Mittelachse 13 wird der Abstand zwischen einem Abnehmer 15, der auf der Oberfläche des Exzenters gleitet oder abrollt, und der Mitte 13 verändert. Der Abnehmer 15 kann als Stößel ausgeführt sein oder er umgreift den Exzenter 8 ähnlich wie eine Pleuelstange einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle umgreift. In einer Anordnung wie in Fig. 1 ist der Abnehmer 15 als Nebenpleuelstange 7 ausgeführt. Das heißt, der veränderliche Abstand zwischen der Mitte 13 und dem Abnehmer 15 wird zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses verwendet und der Abnehmer wird mit einer aus den Hebelverhältnissen anteiligen Gaskraft auf den Exzenter 8 gedrückt. Der Abstand zwischen der Mitte 13 der Verstellwelle und der Exzentermitte 16 bestimmt die mögliche Abnehmerbewegung, aber auch den Gradienten der Bewegung über dem Drehwinkel . Bei einem kleinen Gradienten, das heißt bei einem kleinen Abstand zwischen der Mitte 13 der Verstellwelle und der Exzentermitte 16 tritt zwischen dem Abnehmer 15 und dem Exzenter 8 Selbsthemmung ein. Zwischen dem Exzenter 8 und der Verstellwelle 9 ist eine Zugfeder 17 angeordnet, die den Exzenter zur Verstellwelle auf Anschlag zieht. In einer nicht gezeigten Ausführung ist auch eine Druckfeder als Verstellhilfe möglich.

Ein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine kann von einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis führen oder umgekehrt.

Beim Verstellen des Verdichtungsverhältnisses zu einem niedrigen Wert erfolgt ein Verdrehen des Exzenters 8 so, dass der Abnehmer 15 sich der Mitte 13 der Verstellwelle 9 nähert, das heißt, er bewegt sich auf einer schrägen Fläche abwärts, wobei er von der Kraft des Abnehmers 15 auf die Berührfläche unterstützt wird. Aufgrund der Selbsthemmung zwischen dem Abnehmer 15 und dem Exzenter findet die Bewegung nicht selbsttätig statt, wird jedoch von einem Tangentialanteil der Kraft unterstützt. Ein Verstellvorgang wird durch Drehen der Verstellwelle 9 in der Fig. 2 entgegen dem Uhrzeigersinn eingeleitet. Die Verstellwelle 9 wird durch einen nicht gezeigten Aktuator, wie beispielsweise einen Elektromotor, gedreht. Über die der Zugfeder 17 benachbarten Anschläge 14 wird die Drehung der Verstellwelle 9 auf den Exzenter 8 übertragen. Da bei einer Verstellung in Richtung niedriger Verdichtung die Bewegung durch die Kraft des Abnehmers 15 auf den Exzenter 8 nicht behindert, sondern unterstützt wird, ist es ausreichend, den Aktuator so zu dimensionieren, dass er die Reibung der gesamten Verstellvorrichtung 12 sicher überwindet .

Ein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses zu einem hohen Wert bedeutet, dass der Abnehmer 15 entgegen der Gaskraft aus der Verbrennung bewegt wird. Der Abnehmer 15 wird von der Mitte 13 der Verstellwelle 9 wegbewegt. Für eine Verstellung zu einem beliebigen Zeitpunkt wäre ein sehr starker Aktuator erforderlich, der im ungünstigsten Falle in der Lage sein sollte, den Exzenter 8 und den Abnehmer 15 gegen den Verbrennungsdruck zu verstellen. Da die Gaskraft aus der Verbrennung einen stark schwankenden Verlauf aufweist, der während des Ansaugtaktes sogar negative Werte annehmen kann, ist es besonders vorteilhaft, eine Verstellung entgegen der Gaskraft in Zeitabschnitten vorzunehmen, in denen die Gaskraft einen geringen oder gegebenenfalls den Wert 0 aufweist. Um einen schwachen und somit leichten und kostengünstigen Aktuator einsetzen zu können, wird eine Verstellung in Richtung hoher Verdichtung erfindungsgemäß in mindestens zwei Teilschritten vorgenommen.

Dazu wird in einem ersten Schritt die Verstellwelle 9 in der Fig. 2 im Uhrzeigersinn auf einen dem gewünschten Verdichtungsverhältnis entsprechenden Endwert gedreht, höchstens jedoch bis zum Berühren der beiden der Zugfeder 17 gegenüberliegenden Anschläge 14. Dies kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Dabei wird die Zugfeder 17 gespannt, wobei der Aktuator nur die Systemreibung und die Federkraft der Zugfeder überwinden muss . Während eines Zeitabschnittes mit geringer Gaskraft oder bei einem Gaskraftminimum ist die Zugfeder 17 in der Lage, den Exzenter 8 im Uhrzeigersinn zu drehen und dabei den Abnehmer 15 zu bewegen. Ein Drehen des Exzenters 8 erfolgt so lange, wie die Kraft der Zugfeder 17 größer ist als der Anteil der Kraft des Abnehmers 15 in tangentialer Richtung. Wenn die Gaskraft ansteigt und entsprechend der tangentiale Anteil ansteigt, dreht sich der Exzenter 8 nicht weiter. Ein Weiterdrehen bis zum Berühren der der Zugfeder 17 benachbarten Anschläge 14 erfolgt dann im nächsten sich wiederholenden Takt der Verbrennung der Brennkraftmaschine, wenn die Gaskraft wiederum ein Minimum erreicht. Damit ist nach spätestens einigen wenigen Umdrehungen der Brennkraftmaschine ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt, ohne dass ein übermäßig starker Aktuator erforderlich ist.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung 12 mit einem Kegel 18 gezeigt. Entsprechend der Ausführung in Fig. 2, in der eine Verstellung durch eine Rotationsbewegung hervorgerufen wird, wird in der Verstellvorrichtung 12 eine Verstellung durch eine Translationsbewegung hervorgerufen. Die Verstellvorrichtung weist einen Aktuator 19 auf, der eine Verstellwelle 9 in Längsrichtung verschiebt. Auf der Verstellwelle 9 sind zwei Anschläge 14 angeordnet, zwischen denen sich der längsverschiebbare Kegel 18 als Verstellelement befindet. Der Kegel 18 ist mit einer Zugfeder 17 mit dem rechten der beiden Anschläge 14 verbunden. Auf dem Kegel 18 gleitet oder rollt ein Abnehmer 15, der eine durch eine Verschiebung des Kegels hervorgerufene Bewegung an eine nicht gezeigte Vorrichtung weitergibt. Durch die Bewegung des Abnehmers 15 lässt sich eine beliebige Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses oder auch eine Vorrichtung zur Veränderung einer Ventiihubkurve eines Gaswechselventils verstellen. Der Kegel 18 weist einen so geringen Kegelwinkel auf, dass sich zwischen dem Abnehmer 15 und dem Kegel Selbsthemmung einstellt. Das heißt, dass der Kegel 18 nicht durch die Kraft des Abnehmers 15 auf den Kegel verschoben wird. Eine Verschiebung des Kegels 18 findet nur durch den Aktuator 19 ausgelöst statt. Der Aktuator 19 seinerseits wird durch ein nicht gezeigtes Steuergerät angesteuert und ist beispielsweise als Elektromotor ausgeführt .

Für eine Verstellung des Abnehmers 15 werden die Vorgänge der Rotationsbewegung der Vorrichtung aus Fig. 2 in ähnlicher Weise in Translationsbewegungen übertragen. Der Aktuator 19 wird mit einer schwellenden Kraft auf den Kegel 18 gedrückt. Ein Verschieden des Kegels 18 in Fig. 3 nach links (der Abnahmepunkt des Abnehmers 15 verschiebt sich von einem großen auf einen kleinen Durchmesser des Kegels) erfordert nur eine geringe Kraft das Aktuators 19, da nur die Reibung der Verstellvorrichtung 12 zu überwinden ist. Die Kraft des Abnehmers 15 auf den Kegel 18 unterstützt die Bewegung des Kegels nach links. Das heißt, es ist ein Verschieben des Kegels 18 auch unter größter Kraft seitens des Abnehmers 15 möglich. Diese Kraft kann aus der Gaskraft der Verbrennung oder einer Federkraft bei großem Ventilhub eines Gaswechselventils herrühren und ist in ihrem Verlauf stark schwellend.

Für ein Verstellen entgegen dieser Kraft (der Abnehmer 15 wird dabei von einem kleinen auf einen großen Durchmesser des Kegels 18 bewegt, beziehungsweise der Kegel wird in Fig. 3 nach rechts verschoben) ist das Verfahren in mehrere Teilschritte geteilt. In einem ersten Teilschritt bewegt der Aktuator 19 die Versteilwelle 9 in der Fig. 2 nach rechts und spannt dabei die Zugfeder 17. Dieser Teilschritt kann zu einem beliebigen, von einem nicht gezeigten Steuergerät festgelegten Zeitpunkt stattfinden. Wenn die Kraft des Abnehmers 15 auf den Kegel 18 zu diesem Zeitpunkt aufgrund des Gaskraftverlaufes oder der Ventilfederkraft kein Minimum aufweist, bleibt der Kegel in seiner Lage stehen. In dem Augenblick, in dem die schwellende Kraft des Abnehmers 15 auf den Kegel 18 einen gewissen Wert unterschreitet und dadurch eine daraus resultierende, in Längsrichtung der Verstellwelle 9 zeigende Haltekraft kleiner als die Spannkraft der Zugfeder 17 wird, wird der Kegel 18 von der Zugfeder nach rechts gezogen und der Abnehmer 15 wird auf einen größeren Kegeldurchmesser bewegt.

Der Kegel 18 kann sich um die Verstellwelle 9 drehen, er kann aber auch drehfest mit ihr verbunden sein. Es ist weiterhin eine Ausführung denkbar, bei der kein Kegel 18, sondern ein Keil durch die Verstellwelle 9 ohne Drehbewegung rein translatorisch verschiebbar ist. Weiterhin ist es möglich, die Zugfeder 17 durch eine Druckfeder zu ersetzen, die jedoch auf der gegenüberliegenden Seite des Kegels 18 angeordnet ist. Die Feder kann als mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Feder ausgeführt sein.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche

1. Verstellvorrichtung (12) für eine Brennkraftmaschine (1) mit in einem Gehäuse (11) angeordneten Zylindern, einer Kurbelwelle (6) und Kolben (3), die sich in den Zylindern (10) bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (12) für wenigstens einen

Zylinder (10) folgende Elemente aufweist: einen Abnehmer (15) , der eine Verstellung einer verstellbaren Einrichtung eines Zylinderabschnittes bewirkt und - ein Verstellelement, das mit dem Abnehmer in

Wirkverbindung steht und das Verstellelement auf einer Verstellwelle (9) beweglich angeordnet ist.

2. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellwelle (9) durch einen Aktuator (19) translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar ist.

3. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung zwischen dem Abnehmer (15) und dem Verstellelement eine Selbsthemmung aufweist.

4. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Verstellelements auf der Verstellwelle

(9) durch Anschläge (14) begrenzt ist.

5. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (17) vorgesehen ist, die die Bewegung des Verstellelements auf der Verstellwelle (9) in einer Richtung unterstützt.

6. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement als Exzenter (8) ausgeführt ist, der auf der Verstellwelle (9) drehbar angeordnet ist.

7. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement als Kegel- oder Keilabschnitt (18) ausgeführt ist, der auf der Verstellwelle (9) axial verschiebbar angeordnet ist.

8. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Einrichtung eines Zylinderabschnittes eine Vorrichtung (2) zur Verstellung des Verdichtungs- Verhältnisses bildet, bei der mittels des Abnehmers (15) und weiterer Zwischenglieder die Länge einer Pleuelstange (4) , der Hub der Kurbelwelle (6) oder weitere das Verdichtungsverhältnis bestimmende Bauteile verändert werden .

9. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass durch Anschläge (14) bestimmte Endstellungen des

Drehwinkels einem höchsten und einem niedrigsten

Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine (1) entsprechen.

10. Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Einrichtung eines Zylinderabschnittes eine Vorrichtung zur Verstellung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form einer Ventilhubkurve von Gaswechselventilen bildet.

11. Verfahren zum Betrieb einer Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in Richtung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses dadurch erfolgt, dass die Verstellwelle (9) in eine erste Richtung bewegt wird und mittels eines Anschlages (14) das Verstellelement bewegt, wobei die Gaskraft aus der Verbrennung in einem Brennraum oberhalb des Kolbens (3) über den Abnehmer (15) die Bewegung des Verstellelements unterstützt .

12. Verfahren zum Betrieb einer Versteiivorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses dadurch erfolgt, dass

- die Verstellwelle (9) in eine zweite Richtung bewegt wird, die entgegengesetzt der ersten Richtung zeigt,

- die Feder (17) zwischen dem Verstellelement und der Verstellwelle (9) gespannt wird und

- während eines Zeitabschnittes mit Entlastung des Kurbeltriebes des zugehörigen Zylinders (10) die Feder (17) das Verstellelement bewegt.

13. Verfahren zum Betrieb einer Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche größte oder kleinste Verdichtungsverhältnisse durch unterschiedliche Lagen der Verstellwelle (9) und der zugehörigen Anschläge (14) mittels des Aktuators (19) eingestellt werden.

14. Verfahren zum Betrieb einer Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form der Ventilhubkurve der Gaswechselventile dadurch erfolgt, dass

- der Aktuator (19) die Verstellwelle (9) bewegt,

- das Verstellelement durch Federkraft vorgespannt gegen den Abnehmer (19) drückt,

- das Verstellelement zu einem Zeitpunkt mit geringer Gegenkraft des Abnehmers (19) auf das Verstellelement verstellt wird, - das Verstellelement bis an einen Anschlag (14) bewegt wird und dort in einer stabilen Lage verbleibt.

15. Verfahren zum Betrieb einer Verstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Verlaufes, der Größe und/oder der Form der Ventilhubkurve der Gaswechselventile in eine zweite Ausführung dadurch erfolgt, dass

- der Aktuator (19) die Verstellwelle (9) bewegt,

- der Anschlag an das Verstellelement stößt und dieses in eine zweite Lage verschiebt, wobei die Bewegung durch den Abnehmer (15) unterstützt wird und der Aktuator (19) die Selbsthemmung zwischen dem Abnehmer (15) und dem Verstellelement überwinden muss .