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.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus dem US Patent 1 ,115,477 bekannt.

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.

Auf den Intemetseiten der Firma Gomecsys, www.qomecsvs.com. ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnis- ses einer Vierzylinder-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 verdrehbär 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.

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 lästtragenden 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 nac Patentanspruch 1 vorgeschlagene Vorrichtung ist geeignet für eine Einzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ermöglicht es, die erfindungsgemäße Vorrichtung in mehrzylindrigen Reihen-Hubkolben- Brennkraftmaschinen einzusetzen.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 baut besonders kompakt.

Die Antriebe des dritten oder _, vierten Zahnrades gemäß Patentanspruch 5 sind besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.

Die Anordnung gem. Patentanspruch 6 ist eine weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, mit dem ein direktes Einwirken auf das fünfte Zahnrad möglich ist. Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in vier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum

Verändern eines Kompressionsverhältnisses für eine Hubkol- ben-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 Stimansicht einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Stimansicht einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in den Figuren 1 bis 4 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.

V _K mit

V _H = Hubraum (Kolbenhub * Kolbenfläche) V _K = 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 Wellel 0 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. 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. Mit anderen Worten, zusammengefasst gesagt:

Es wird somit ein Synchronisatipnsgetriebe 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 Gruridlagerzapfens 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 Durchmesser ³ 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, sofem 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 bei Voriiegen einer Ventilhubyerstellvorrichtung (z. B. BMW Valvetronic) eine mechanische Koppelung von Ventilhub oder Phasenwinkel mit dem Verdichtungsverhältnis erfolgen. Ein Beispiel für die Kombination von einem variablen Verdichtungs- Verhältnis mit einem variablen Ventiltrieb ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 015 887 AI bekannt. Da im Allgemeinen bei hoher Last niedrige Verdichtung mit großen Ventilhüben und umgekehrt kombiniert werden, können somit Ventilfreigänge im Kolben minimiert werden, was durch eine günstigere Brennraumform weitere thermodynami- sche 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.

Bezuqszeicheniiste:

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. zweiten Zahnrad

10. Welle ·

11. Stellelement

12. drittes Zahnrad

13. viertes Zahnrad

14. fünftes Zahnrad

14' sechstes Zahnrad zweite Welle

hohe Verdichtung niedrige Verdichtung Kurbelwellenhauptlager Zwischengetriebe