Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine^Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft auch eine solche Stelleinrichtung der im

Oberbegriff des Patentanspruchs 3 angegebenen Art.

Die JP 2007-239520 offenbart eine solche Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine.

Der DE 195 25 831 A1 ist ein Planetengetriebe mit einem angetriebenen Sonnenrad als bekannt zu entnehmen, wobei das Getriebe ein erstes und ein zweites, jeweils innen- und konisch verzahntes Hohlrad umfasst. Von diesen steht das erste fest und das zweite ist drehantreibbar gelagert und bildet den Abtrieb. Das Planetengetriebe umfasst ferner Stufenplaneten mit konisch verzahnten Stufenrädern, die in einem Planetenträger in der Weise gelagert sind, dass sie in ständigem Zahneingriff mit dem Sonnenrad und den Hohlrädern stehen. Dabei ist vorgesehen, dass die Neigungswinkel der Verzahnungen der Stufenräder sowie der Hohlräder zueinander entgegengesetzt verlaufen.

Die bekannten Stelleinrichtungen weisen einen unerwünscht hohen Bauraumbedarf sowie einen unerwünscht hohen Montageaufwand auf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche einen reduzierten Bauraumbedarf sowie reduzierte

Montagekosten aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Die Stelleinrichtung umfasst dabei wenigstens einen Motor, welcher dazu dient, Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses aufzubringen bzw.

aufzuwenden. Mittels des Motors ist das Verdichtungsverhältnis somit variabel einstellbar. Die Stelleinrichtung umfasst ferner wenigstens ein Getriebe, über welches das

Verdichtungsverhältnis einstellbar ist. Dazu umfasst das Getriebe beispielsweise wenigstens ein Zahnradpaar mit zwei Zahnrädern, welche über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff stehen.

Die Stelleinrichtung umfasst ferner wenigstens eine Bremseinrichtung, mittels welcher das eingestellte Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen zu halten ist. Die Bremseinrichtung dient somit dazu, das eingestellte Verdichtungsverhältnis insbesondere gegen aus Verbrennungsvorgängen der Verbrennungskraftmaschine resultierende Kräfte und/oder Drehmomente zu halten, sodass sich das Verdichtungsverhältnis nicht unerwünschterweise auf einen anderweitigen Wert einstellt bzw. verstellt.

Beim ersten Aspekt der Erfindung sind die Bremseinrichtung und das Getriebe durch Integration dieser in wenigstens ein der Bremseinrichtung und dem Getriebe

gemeinsames Gehäuseteil zu einer vom Motor separaten Baugruppe zusammengefasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.

Infolge dieser Integration und Zusammenfassung zu der Baugruppe weist die

Stelleinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung einen nur sehr geringen

Bauraumbedarf auf, was zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens beiträgt. Ferner treffen auf den ersten Aspekt der Erfindung die folgenden Vorteile zu, wonach die Stelleinrichtung eine nur sehr geringe Teileanzahl sowie ein geringes Gewicht aufweist. Auch weist die Stelleinrichtung des ersten Aspekts der Erfindung einen geringen

Montageaufwand auf, da die Bremseinrichtung und das Getriebe als Baugruppe zeitlich zumindest im Wesentlichen parallel zur übrigen Stelleinrichtung montiert und

gegebenenfalls überprüft werden können. Dies hält die Montagekosten der

erfindungsgemäßen Stelleinrichtung besonders gering.

Darüber hinaus kann der Aufwand zur Sicherstellung einer Koaxialität des Getriebes und der Bremseinrichtung sowie ein Aufwand zum Toleranzausgleich zwischen diesen gering gehalten werden aufgrund der Zusammenfassung der entsprechenden Bauteile zu der entsprechenden Baugruppe.

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Motor. Wie schon bei den ersten beiden Aspekten der Erfindung dient der Motor dazu, Kräfte und/oder Drehmomente aufzubringen, um dadurch das Verdichtungsverhältnis einstellen zu können.

Die Stelleinrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst ferner wenigstens eine Bremseinrichtung, mittels welcher das eingestellte Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen zu halten ist. Dadurch kann das eingestellte Verdichtungsverhältnis insbesondere entgegen aus Verbrennungsvorgängen der Verbrennungskraftmaschine resultierenden Kräften und/oder Momenten gehalten werden und eine unerwünschte Verstellung des Verdichtungsverhältnisses vermieden werden.

Erfindungsgemäß ist bei dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die

Bremseinrichtung in wenigstens ein Lager zum gegenseitigen Lagern zweier relativ zueinander bewegbarer Bauteile zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses integriert ist. Mit anderen Worten dient wenigstens eines der relativ zueinander bewegbaren Bauteile dazu, die von dem Motor aufgebrachten Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses zu übertragen, um so das

Verdichtungsverhältnis auf einen gewünschten Wert einzustellen. Wird das

Verdichtungsverhältnis eingestellt bzw. verstellt, so bewegen sich die beiden Bauteile zueinander. Durch Integration der Bremseinrichtung in das Lager können diese Bauteile nun relativ zueinander fixiert und gegen eine Relativbewegung gesichert werden, sodass sich das eingestellte Verdichtungsverhältnis nicht mehr unerwünschterweise und selbstständig verändern kann. Durch diese Integration der Bremseinrichtung in das Lager weist die Stelleinrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung einen besonders geringen

Bauraumbedarf auf. Ferner weist sie eine nur sehr geringe Teileanzahl auf, was mit einem geringen Gewicht und mit geringen Kosten einhergeht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung ist das Lager als ein Lager, insbesondere ein Gleitlager, einer Verstellwelle, insbesondere einer Exzenterwelle, ausgebildet, wobei die Verstellwelle eines der Bauteile ist. Über die Verstellwelle ist dabei das Verdichtungsverhältnis einstellbar. Die Verstellwelle ist dabei über das Lager an dem zweiten Bauteil der Stelleinrichtung um eine Drehachse relativ zu dem zweiten Bauteil drehbar gelagert. Bei dem zweiten Bauteil handelt es sich

insbesondere um ein Gehäuseteil der Verbrennungskraftmaschine und/oder der

Stelleinrichtung.

Diese Integration der Bremseinrichtung in das Lager der Verstellwelle birgt den Vorteil, dass dadurch die Kräfte und/oder Drehmomente, welche gegen das eingestellte

Verdichtungsverhältnis wirken, besonders vorteilhaft und zumindest im Wesentlichen direkt aufgenommen und abgestützt werden können. Ferner weist die Verstellwelle einen gewissen Durchmesser auf, welcher es ermöglicht, das Lager hinsichtlich seiner

Dimensionen klein auszugestalten und dennoch auch hohe, gegen das aktuell eingestellte Verdichtungsverhältnis wirkende Kräfte und/oder Drehmomente abstützen zu können. Dies bedeutet, dass insbesondere durch diese Integration besonders hohe Haltekräfte und/oder Haltemomente mittels der Bremseinrichtung bewirkt werden können, um über die Verstellwelle das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu halten.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst die Bremseinrichtung wenigstens ein eines der Bauteile

außenumfangsseitig zumindest bereichsweise umgebendes Lagerteil, insbesondere einen Lagerring des Lagers. Das Lagerteil ist dabei zum Halten des einen Bauteils, insbesondere der Verstellwelle, relativ zu dem zweiten Bauteil in zumindest mittelbarer Wirkverbindung mit dem einen Bauteil relativ zu diesem bewegbar. Mit anderen Worten ist das Lagerteil sowohl relativ zu dem einen als auch relativ zu dem zweiten Bauteil bewegbar, um das eine Bauteil relativ zum zweiten Bauteil zu fixieren. Das Lagerteil ist beispielsweise als Lagerring ausgebildet, welcher geschlitzt ist. Dadurch kann der Lagerring in Richtung der Verstellwelle bewegt, d.h. zugespannt, werden und so die an dem Gehäuse gelagerte Verstellwelle reibschlüssig an dem Gehäuse festlegen, d.h. relativ zu dem Gehäuse fixieren.

Da der Lagerring die Welle außenumfangsseitig und in Umfangsrichtung in einem bevorzugt großen und flächigen Bereich umgibt, ist zwischen dem Lagerring und der Verstellwelle ein Reibschluss auf einem insbesondere betragsmäßig sehr hohen

Kraftniveau ausbildbar. So kann die Verstellwelle auch entgegen großer Kräfte und/oder Drehmomente gehalten werden, und das mit einem nur sehr geringen Bauraumbedarf und mit einer nur sehr geringen Teileanzahl. Dies hält das Gewicht, die Kosten und den Bauraumbedarf der gesamten Stelleinrichtung besonders gering.

Bei einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst die Bremseinrichtung ein Stellglied, mittels welchem zum Ausbilden der Wirkverbindung das Lagerteil relativ zu dem einen Bauteil, insbesondere zur Verstellwelle, bewegbar ist. Dies ermöglicht einerseits die Darstellung besonders hoher Haltekräfte und/oder

Haltemomente, sodass das eingestellte Verdichtungsverhältnis über das eine Bauteil, insbesondere die Verstellwelle, besonders fest und sicher zu halten ist.

Andererseits kann dadurch ein besonders bedarfsgerechtes Halten des einen Bauteils und damit des Verdichtungsverhältnisses erfolgen, da das Stellglied schnell und bedarfsgerecht zwischen einer Freigabestellung und wenigstens einer Haltestellung bewegbar ist. In der Freigabestellung ist das eine Bauteil freigegeben, sodass es zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses bewegt werden kann. In der Haltestellung ist das eine Bauteil gegenüber dem zweiten Bauteil fixiert, sodass das

Verdichtungsverhältnis insbesondere gegenüber einer unerwünschten Verstellung gesichert ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Stellglied der Bremseinrichtung als Piezo-Aktor ausgebildet. Dadurch weist das Stellglied einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf, was den Bauraumbedarf der gesamten

Stelleinrichtung in einem sehr geringen Rahmen hält. Ferner ermöglicht der Piezo-Aktor besonders schnelle Schaltungen der Bremseinrichtung zwischen der Freigabestellung und der Haltestellung, sodass auch besonders häufige Verstellungen des

Verdichtungsverhältnisses in einer nur sehr geringen Zeitspanne durchzuführen und das Verdichtungsverhältnis auch nur kurze Zeit auf dem gewünschten Wert zu halten ist. Die Stelleinrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst vorteilhafterweise ein Getriebe, welches beispielsweise wenigstens ein Zahnradpaar mit zwei Zahnrädern umfasst. Die Zahnräder stehen über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff. Über das Getriebe ist das Verdichtungsverhältnis einstellbar, wobei das Getriebe in einem Kräfte- und/oder Drehmomentenfluss von dem Motor auf die Verstellwelle bevorzugt zwischen dem Motor und der Verstellwelle angeordnet ist. So sind von dem Motor, welcher beispielsweise als Elektromotor ausgebildet ist, nur relativ geringe Drehmomente aufzubringen, welche durch das Getriebe in demgegenüber sehr hohe Drehmomente umgewandelt werden. Mit anderen Worten kann das Getriebe durch entsprechende Wahl der Übersetzung relativ geringe Drehmomente des Motors in demgegenüber relativ hohe Stellmomente umwandeln, um so das Verdichtungsverhältnis auch entgegen hoher wirkender Kräfte und/oder Drehmomente einzustellen bzw. zu verstellen. Durch das Vorsehen des Getriebes kann der Motor besonders klein hinsichtlich seiner

Leistungsaufnahme und insbesondere hinsichtlich seiner Dimensionen ausgebildet werden, was den Bauraumaufwand sowie das Gewicht der erfindungsgemäßen

Stelleinrichtung weiterhin gering hält.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung einer Stelleinrichtung zum variablen

Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine, mit einem Elektromotor und einem Getriebe zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses und mit einer Bremseinrichtung, mittels welcher das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu halten ist, bei welcher die Bremseinrichtung und das Getriebe durch Integration dieser in wenigstens ein der Bremseinrichtung und dem Getriebe gemeinsames Gehäuseteil zu einer vom Motor separaten Baugruppe

zusammengefasst sind. Das Streben, Kraftstoffverbräuche von Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen zu reduzieren, führt dazu, die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen jeweils mit zumindest einer Stelleinrichtung zu versehen, mittels welcher wenigstens ein Verdichtungsverhältnis der zugehörigen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar ist.

Die Fig. zeigt eine solche Stelleinrichtung 10, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Die zugehörige Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders auf, in welchem ein Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder verschiebbar aufgenommen ist. Der Kolben ist mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt, welches wiederum mit einem Hebelelement der Stelleinrichtung 10 gekoppelt ist. Das Hebelelement ist an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Hubzapfen drehbar gelagert. Das einerseits mit dem Pleuel gelenkig gekoppelte Hebelelement ist andererseits mit einer Verstellwelle 12 der Stelleinrichtung 10 zumindest mittelbar gelenkig gekoppelt. Die Verstellwelle 12 ist beispielsweise als Exzenterwelle ausgebildet und weist wenigstens einen Exzenter auf, an welchem das Hebelelement zumindest mittelbar relativ zu dem Exzenter drehbar gelagert ist.

Durch die Kopplung des Kolbens über das Pleuel und das Hebelelement mit der

Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine werden translatorische

Bewegungen des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem in rotatorische Bewegungen der Kurbelwelle umgewandelt.

Durch die Kopplung des Kolbens über das Pleuel und das Hebelelement mit der

Verstellwelle 12 kann der Kolben in dem Zylinder relativ zu diesem translatorisch bewegt werden. Dazu wird die Verstellwelle 12 um eine Drehachse 14 der Verstellwelle gedreht. Dies bewirkt ein Verdrehen des Hebelelements relativ zum Hubzapfen, woraus wiederum die translatorische Bewegung des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem resultiert. Die Verstellwelle 12 ist dabei über wenigstens ein Lager an einem Gehäuseteil der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung 10 relativ zu dem Gehäuseteil um die Drehachse 4 drehbar gelagert.

Während eines gefeuerten Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 10 laufen in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge ab. Aus diesen Verbrennungsvorgängen resultieren Kräfte und/oder Drehmomente, welche über den Kolben und die

entsprechende Kopplung auf die Verstellwelle 12 wirken. Falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind, würde dies ein Verdrehen der Verstellwelle 12 um die Drehachse 14 bewirken, sodass sich das Verdichtungsverhältnis unerwünschterweise verstellen würde. Um dies zu vermeiden, umfasst die Stelleinrichtung 10 eine

Bremseinrichtung 20, mittels welcher das aktuell eingestellte Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen konstant zu halten ist.

Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses, d.h. zum gewünschten Drehen der Verstellwelle 12 um die Drehachse 14, umfasst die Stelleinrichtung 10 einen Elektromotor. Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses bringt der Elektromotor ein Drehmoment auf, welches in die Verstellwelle 12 eingeleitet wird.

Da die aus den Verbrennungen resultierenden Kräfte und/oder Drehmomente relativ hoch sein können und einer entsprechenden Einstellung des Verdichtungsverhältnisses entgegenwirken können, sind zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses nicht unerhebliche Stellmomente vonnöten. Um die Leistungsaufnahme und die äußeren Dimensionen des Elektromotors gering zu halten, umfasst die Stelleinrichtung 10 ein Getriebe 18. Das Getriebe 18 ist in einem Drehmomentenfluss vom Elektromotor 16 zur Verstellwelle 12 bevorzugt zwischen dem Elektromotor 16 und der Verstellwelle 12 angeordnet. So kann ein von dem Elektromotor 16 aufgewendetes Drehmoment in ein demgegenüber betragsmäßig höheres Stellmoment umgewandelt werden, sodass mittels des relativ hohen Stellmoments das Verdichtungsverhältnis entgegen der wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente eingestellt werden kann.

Bei der Stelleinrichtung 0 sind das Getriebe 18 und die Bremseinrichtung 20 in ein dem Getriebe 18 und der Bremseinrichtung 20 gemeinsames Gehäuse 22 integriert. Dadurch sind das Getriebe 18 und die Bremseinrichtung 20 zu einer vom Elektromotor 16 separaten Baugruppe 24 zusammengefasst. Die Baugruppe 24 ist dabei über eine Verbindungswelle 26 mit dem Elektromotor 16 gekoppelt, sodass der Elektromotor 16 ein Drehmoment zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses aufbringen und in das Getriebe 8 einleiten kann. Das Getriebe 8 wandelt dieses Drehmoment dann in ein dazu höheres Drehmoment (Stellmoment) um und leitet dieses in die Verstellwelle 12 ein. Die Stelleinrichtung 10 weist aufgrund der Integration des Getriebes 16 und der

Bremseinrichtung 20 in das gemeinsame Gehäuse 22 einen nur sehr geringen

Bauraumbedarf, eine geringe Teileanzahl, ein geringes Gewicht sowie geringe Kosten auf. Die entsprechende Zusammenfassung des Elektromotors 16 und der Bremseinrichtung 20 bzw. des Getriebes 18 und der Bremseinrichtung 20 zur Baugruppe 24 hält auch den Montageaufwand und damit die Montagekosten der Stelleinrichtung 10 gering. Die Baugruppe 24 kann zeitlich zumindest im Wesentlichen parallel zur übrigen

Stelleinrichtung 10 montiert und anschließend zeit- und kostengünstig mit dem Getriebe 18 respektive mit dem Elektromotor 16 über die Verbindungswelle 26 verbunden werden. Im Rahmen der Vormontage kann ferner eine Überprüfung der Baugruppe 24 erfolgen, sodass etwaige Fehlfunktionen auszuschließen und zu vermeiden sind.

Darüber hinaus kann durch die Schaffung der Baugruppe 24 ein Aufwand zur

Sicherstellung der Koaxialität des Elektromotors 16 und der Bremseinrichtung 20 bzw. des Getriebes 18 der Bremseinrichtung 20 sowie ein Aufwand zum Toleranzausgleich zwischen diesen Komponenten besonders gering gehalten werden, was ebenso die Montagekosten der Stelleinrichtung 10 gering hält.

Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Bremseinrichtung 20 zumindest teilweise in das Lager integriert ist, über welches die Verstellwelle 12 an dem Gehäuseteil gelagert ist. Dazu umfasst das Lager beispielsweise einen der

Bremseinrichtung 20 zugeordneten geschlitzten Lagerring. Der Lagerring umgibt die Verstellwelle 12 in deren Umfangsrichtung außenumfangsseitig über zumindest einen Teilbereich. Wird der Lagerring mittels eines Aktors der Bremseinrichtung 20 zugespannt und so in Kontakt mit der Verstellwelle 12 bewegt, so kann dadurch ein Reibschluss zwischen dem Lagerring und der Verstellwelle 12 ausgebildet werden. So können die Verstellwelle 12 und der Lagerring relativ zueinander fixiert werden. Der Lagerring ist dabei andererseits an dem Gehäuseteil relativ zu diesem fest abgestützt, sodass die Verstellwelle 12 über den Lagerring und den mit diesem ausgebildeten Reibschluss relativ zu dem Gehäuse festgelegt werden kann. So kann ein unerwünschtes Verdrehen der Verstellwelle 12 vermieden werden, wodurch das eingestellte Verdichtungsverhältnis über eine gewisse Zeitspanne hinweg zumindest im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.