Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei es sich bei der Hubkolbenmaschine insbesondere um eine Hubkolben-Brennkraftmaschine handelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine.

Hubkolbenmaschinen und insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis sind grundsätzlich bekannt. Ihre Vorzüge sind insbesondere in einem erhöhten Wirkungsgrad zu sehen.

Um das Verdichtungsverhältnis zu verändern, weisen Hubkolbenbrennkraftma- schinen mit variablem Verdichtungsverhältnis mindestens eine Triebwerkskomponente auf, deren Geometrie oder Lage veränderbar ist, um das Verdichtungsverhältnis zu verstellen. Die Verstellung der besagten Triebwerkskomponente kann dabei elektrisch oder magnetisch erfolgen. Als zweckmäßig hat sich eine hydraulische Verstellung der Triebwerkskomponente herausgestellt, wobei als Hydraulikfluid das Motoröl verwendet wird, wie es zur Schmierung und Kühlung der Hubkolbenmaschine eingesetzt wird.

Hinsichtlich der Verstellung der Triebwerkskomponente ist es von Vorteil, wenn hierzu während des Betriebs der Hubkolbenmaschine auf die besagte Triebwerkskomponente wirkende Kräfte genutzt werden. Dann nämlich bedarf es keines separaten Stellantriebs zum Verstellen der Triebwerkskomponente.

Als Triebwerkskomponente, die zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses veränderbar ist, hat sich insbesondere der Pleuel mit Verdichtungskolben als zweckmäßig erwiesen. Durch Relativverschiebung von Verdichtungskolben und Pleuel lässt sich die effektive Pleuellänge und damit das Verdichtungsverhältnis verändern. Auf den Verdichtungskolben wirken während des Betriebs der Hubkolbenmaschine sogenannte Gas- und Massenkräfte. Die Gaskräfte entstehen bei der Expansion des Gas- Kraftstoff-Gemisches. Diese Kräfte drücken den Verdichtungskolben gegen den Pleuel . Bei exzentrischer Lagerung des Verdichtungskolbens relativ zur Längsachse des Pleuels kann erreicht werden, dass diese Gaskräfte den Verdichtungskolben in Richtung Pleuel verschieben. Auf diese Weise lässt sich das Verdichtungsverhältnis von hohen Werten zu niedrigen Werten hin verändern. Sofern dies nicht gewünscht ist, weil nämlich die Hubkolbenmaschine bei hohem Verdichtungsverhältnis betrieben werden soll, wird das Verstellelement für den Verdichtungskolben verriegelt, was beispielsweise durch eine Zylinder/Kolben-Stützeinheit geschieht.

Umgekehrt lässt sich unter Ausnutzung der Massenkräfte das Verdichtungsverhältnis von niedrigen zu hohen Werten hin verändern. Hierbei werden die Beschleunigungen ausgenutzt, die auf den Verdichtungskolben wirken, wenn dieser seinen oberen Totpunkt durchfährt. Eine Bewegung des Verdichtungskolbens in diesen Phasen kann wiederum durch eine Zylinder/Kolben-Stützeinheit verhindert werden, die am Verstellelement für den Verdichtungskolben angreift. Es ist aber auch möglich, dass ein und dieselbe Zylinder/Kolben- Stützeinheit für beide Funktionen ausgelegt ist; eine derartige Stützeinheit arbeitet mit einem doppelseitig wirkenden Stützkolben.

Wie oben erwähnt, wird die Stützeinheit hydraulisch betrieben, und zwar vorzugsweise nicht aktiv, sondern passiv, indem zur Verschiebung des Stützkolbens innerhalb des Stützzylinders entweder Hydraulikfluid in den Arbeitsraum ansaugbar ist bzw. aus dem Arbeitsraum in Folge eines durch die oben beschriebenen Kräfte induzierten Verschiebens des Stützkolbens verdrängt wird.

Ein Beispiel für eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis (auch VCR genannt) ist in WO 2014/019683 AI bzw. WO 2014/019684 AI beschrieben. Wie oben erwähnt wird bei der hydraulischen Verstellung des Verdichtungsverhältnisses Hydraulikfluid aus dem Arbeitsraum eines Stützzylinders verdrängt, und zwar als Folge einer Verschiebung des Stützkolbens, was wiederum die Folge von auf den Verdichtungskolben wirkenden Kräften ist. Dabei wird das Hydraulikfluid sozusagen "umgepumpt", wobei der Strömungswiderstand so gering wie möglich sein sollte.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis und ein Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer derartigen Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolben- Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die versehen ist mit

einem Gehäuse,

einer in dem Gehäuse angeordneten, drehbar gelagerten Kurbelwelle, mindestens einem Pleuel, der mittels eines einen Schmiermittelpfad aufweisenden Kurbelwellenlagers an der Kurbelwelle drehbar gelagert ist, wobei der Pleuel einen Verdichtungskolben trägt, der in einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder bidirektional bewegbar geführt ist, und einem Verstellmechanismus zum Verstellen des Verdichtungskolbens relativ zum Pleuel zwecks Veränderung des Verdichtungsverhältnisses, wobei der Verstellmechanismus ein Verstellelement zum Verschieben des Verdichtungskolbens relativ zum Pleuel und mindestens eine Zylinder/Kolben-Stützeinheit mit einem Stützzylinder und einen in diesem verschiebbar geführten Stützkolben aufweist, der in Wirkverbindung mit dem Verstellelement steht,

wobei der Stützzylinder mindestens einen mit einem im Wesentlichen in- kompressiblen Fluid, insbesondere Öl, befüllbaren Arbeitsraum aufweist, das wahlweise in den Arbeitsraum einlassbar oder aus dem Arbeitsraum ablassbar ist, und

wobei der Arbeitsraum über einen Zulaufkanal in Fluidverbindung mit dem Schmiermittelpfad des Kurbelwellenlagers des Pleuels steht.

Diese Hubkolbenmaschine ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuel einen sich von dem mindestens einen Arbeitsraum des Stützzylinders aus erstreckenden Ablaufkanal aufweist, der zum Abführen von Fluid aus dem mindestens einen Arbeitsraum in das Gehäuse mit einer in der Außenfläche des Pleuels angeordneten Auslassöffnung in Fluidverbindung bringbar ist.

Der Pleuel umfasst dabei den eigentlichen Pleuelkörper und an/in diesem angeordnete Teile, die wie der Pleuelkörper die Außenfläche des Pleuels im Sinne der Erfindung definieren.

Ferner dient zur Lösung der Aufgabe ein Pleuel für eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, insbesondere für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordnete, drehbar gelagerte Kurbelwelle, mindestens einen in dem Gehäuse ausgebildeten Zylinder und einen in dem Zylinder bidirektional bewegbaren Verdichtungskolben aufweist, wobei der Pleuel versehen ist mit

einem Pleuelkörper mit einem Kurbelwellenlager zur drehbaren Lagerung des Pleuelkörpers an der Kurbelwelle, wobei das Kurbelwellenlager einen Schmiermittelpfad aufweist,

einem Verdichtungskolbenlager zur Lagerung eines Verdichtungskolbens am Pleuelkörper,

einem Verstellmechanismus zum Verschieben des Verdichtungskolbenlagers relativ zum Pleuelkörper zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine,

wobei der Verstellmechanismus ein Verstellelement zum Verschieben des Verdichtungskolbenlagers relativ zum Pleuelkörper und mindestens eine Zylinder/Kolben-Stützeinheit mit einem Stützzylinder und einem in diesem verschiebbar geführten Stützkolben aufweist, der in Wirkverbindung mit dem Verstellelement steht,

wobei der Stützzylinder mindestens einen mit einem im Wesentlichen in- kompressiblen Fluid, insbesondere Öl, befüllbaren Arbeitsraum aufweist, das wahlweise in den Arbeitsraum einlassbar oder aus dem Arbeitsraum ablassbar ist, und

wobei der Arbeitsraum über einen Zulaufkanal in Fluidverbindung mit dem Schmiermittelpfad des Kurbelwellenlagers des Pleuelkörpers steht.

Erfindungsgemäß ist der Pleuel dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuelkörper einen sich von dem mindestens einen Arbeitsraum des Stützzylinders aus erstreckenden Ablaufkanal aufweist, der zum Abführen von Fluid aus dem mindestens einen Arbeitsraum in das Gehäuse mit einer in der Außenfläche des Pleuelkörpers angeordneten Auslassöffnung in Fluidverbindung bringbar ist.

Zum Pleuelkörper gehört dabei neben dem strukturellen Teil des Pleuels auch in/an diesem angeordnete Teile, die wie der Pleuelkörper die Außenfläche desselben im Sinne der Erfindung definieren.

Schließlich wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit variablem Verdichtungsverhältnis wie oben beschrieben und/oder mit mindestens einem Pleuel, ebenfalls wie oben beschrieben, wobei das Fluid aus dem mindestens einen Arbeitsraum des mindestens einen Stützzylinders zwecks Veränderung des Verdichtungsverhältnisses direkt in das Gehäuse der Hubkolbenmaschine abgeführt wird.

Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass in einer Verschiebeposition des Stützkolbens, die einem von mindestens zwei Verdichtungsverhältnissen entspricht, durch den Stützkolben eine Fluidverbindung zwischen den dem Stützzylinder zugeordneten Zulauf- und Ablaufkanälen blockiert wird.

Nach der Erfindung ist also sinngemäß vorgesehen, dass das Hydraulikfluid, welches beim Verschieben des Stützkolbens aus dem Arbeitsraum des Stützzylinders abgeführt wird, direkt in das Gehäuse der Hubkolbenmaschine abgelassen wird. Dadurch ist der Strömungswiderstand so gering wie möglich, da das abgelassene Hydraulikfluid keinerlei Umschaltventile o.dgl. den Strömungswiderstand erhöhende fluidische Elemente durchströmen muss. Nach der Erfindung wird als das aus einem Stützzylinder "herausgedrückte" Hydraulikfluid, insbesondere Motoröl, frei in den Ölsumpf der Hubkolbenmaschine abgeführt, während das dem Arbeitsraum zuzuführende bzw. in den Arbeitsraum des Stützzylinders gelangende Motoröl komplett aus dem Ölkreislauf entnommen wird, und zwar im Regelfall vom Kurbelwellen-Pleuellager. Alternativ kann hier aber auch das Öl von einem anderen Lager, welches mit dem Motoröl geschmiert und gekühlt wird, entnommen werden. Sofern ausreichend Öl von dem betreffenden Lager zugeführt werden kann, wird hierdurch die Verstellung des Verdichtungskolbens schneller bewerkstelligt als bei bekannten Systemen, da die Druckdifferenz für das abzuführende Öl dabei höher und der Strömungswiderstand geringer ist als wenn das Öl gegen den Öldruck abzuführen ist, wie dies bei den bekannten insoweit mit "geschlossenem" Hydraulikkreislauf arbeitenden Systemen der Fall ist.

Wie oben beschrieben, sind dem Arbeitsraum eines Stützzylinders ein Zuführkanal und ein Abführkanal zugeordnet, die beide in den Arbeitsraum des Stützzylinders einmünden. Die Zu- und Abfuhr von Hydraulikfluid in den bzw. aus dem Arbeitsraum sollte zweckmäßigerweise lediglich während der Verstellphasen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses erfolgen. Da nun aber der Abführkanal in Fluidverbindung mit einer an der Außenfläche des Pleuels angeordneten Auslassöffnung bringbar ist, was zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses erfindungsgemäß vorgesehen ist, existiert über den Arbeitsraum des Stützzylinders eine Fluidverbindung zwischen Zulauf- und Ablaufkanal. Im Zulaufkanal steht der aktuelle Hydraulikfluiddruck an, beispielsweise der aktuelle Motoröldruck. Damit fließt über den Zulaufkanal Hydraulikfluid in den Arbeitsraum des Stützzylinders, um über dessen Ablaufkanal sogleich wieder in das Gehäuse abzufließen. Da dies insbesondere bei gleichbleibendem Verdichtungsverhältnis ohne Nutzen ist und darüber hinaus die Nachteile eines erhöhten Ölbedarfs, des Erfordernisses einer größeren Ölpumpe und einer vermehrten Motorreibung mit sich bringt, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Stützkolben in einer Verschiebeposition, die einem von mindestens zwei einstellbaren Verdichtungsverhältnissen entspricht, den Zulaufkanal gegenüber dem Ablaufkanal blockiert. In dieser Ver- schiebeposition stützt sich der Stützkolben vorzugsweise nicht gegenüber einem Hydraulikfluidpolster im Arbeitsraum des Stützzylinders, sondern direkt am Boden des Arbeitsraums ab. Der Stützkolben wirkt in dieser Situation als Blockier- bzw. Sperrelement zur Unterbrechung der "lichten" Fluidverbindung von Zulauf- und Ablaufkanal.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Stützkolben der mindestens einen oder jeder Zylinder/Kolben-Stützeinheit ein Umfangsdichtelement zur Abdichtung des Arbeitsraums des Stützzylinders aufweist und dass das Umfangsdichtelement in einer Verschiebeposition, die einem von mindestens zwei einstellbaren Verdichtungsverhältnissen entspricht, die Fluidverbindung zwischen Zulauf- und Ablaufkanal in dem Arbeitsraum des Stützzylinders blockiert, und zwar insbesondere die Einmündungsöffnung des Zulauf- und/oder des Ablaufkanals in den Arbeitsraum des Stützzylinders verschließt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn der Stützkolben mindesten einer oder jeder Zylinder/Kolben-Stützeinheit an seinem dem Boden des Arbeitsraums des Stützzylinders zugewandten Stirnseite ein Dichtelement aufweist, wobei der Zulauf- und/oder Ablaufkanal am Boden und/oder an der Seitenwand des Stützzylinders in den Arbeitsraum einmünden und wobei das Dichtelement in einer Verschiebeposition, die einem von mindestens zwei einstellbaren Verdichtungsverhältnissen entspricht, die Fluidverbindung zwischen Zulauf- und Ablaufkanal in dem Arbeitsraum des Stützzylinders blockiert, und zwar insbesondere die Einmündungsöffnung des Zulauf- und/oder des Ablaufkanals in den Arbeitsraum des Stützzylinders verschließt.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement ringförmig und insbesondere ein O-Ring ist und/oder dass das Dichtelement ein Lamellendichtelement ist oder nach Art einer Lamellendichtung arbeitet und/oder dass das Dichtelement plattenförmig ist. Schließlich ist es auch denkbar und vorteilhaft, wenn das Dichtelement nach Art einer Labyrinth-Dichtung arbeitet und dass entweder in dem Stützkolben eine Vertiefung ausgebildet ist, in die in der besagten Verschiebeposition des Stützkolbens ein von dem Stützzylinder in den Arbeitsraum hineinragender Vorsprung eingetaucht ist, oder in dem Stützzylinder eine Vertiefung ausgebildet ist, in die in der besagten Verschiebeposition des Stützkolbens ein von dem Stützkolben in den Arbeitsraum hineinragender Vorsprung eingetaucht ist. Es können auch mehrere Paare aus derartigen Vertiefungen und Vorsprüngen vorhanden sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Im Einzelnen zeigen dabei :

Fign. 1 bis 12

die einzelnen Phasen der Relativverschiebung des Verdichtungskolbens gegenüber dem Pleuel unter Verwendung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Umschaltventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zum bedarfsweisen Freigeben bzw. Sperren bzw. Sperren des Zu- und Ablaufs von Hydrauliköl aus bzw. in die Arbeitsräume zweier Zylinder- Kolbenstützeinheiten,

Fign. 13 bis 24

die einzelnen Phasen der Relativverschiebung des Verdichtungskolbens gegenüber dem Pleuel unter Verwendung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Umschaltventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zum bedarfsweisen Freigeben bzw. Sperren bzw. Sperren des Zu- und Ablaufs von Hydrauliköl aus bzw. in die Arbeitsräume zweier Zylinder- Kolbenstützeinheiten und Fign. 25 bis 28

vier Varianten des Blockierens einer Fluidverbindung zwischen Zulauf- und Ablaufkanal bei mindestens einer Zylinder/Kolben-Stützeinheit, wie sie gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Fign. 1 bis 12 bzw. 13 bis 24 eingesetzt werden können.

Anhand von Fig. 1 soll nachfolgend kurz auf die wesentlichen Komponenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 eingegangen werden, bei der das Verdichtungsverhältnis veränderbar ist, und zwar in zwei Stufen, wobei anzumerken ist, dass die Erfindung auf die Anzahl der einstellbaren Verdichtungsverhältnisse nicht beschränkt ist.

Die Brennkraftmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem mindestens ein Zylinder 14 ausgebildet ist. In dem Zylinder 14 bewegt sich ein Verdichtungskolben 16, der an einem Pleuel 18 gelagert ist. Oberhalb des Verdichtungskolbens 16 befindet sich der Brennraum 20, in den ein Einlasskanal sowie ein Auslasskanal 24 münden. Die Zündeinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch ist in den Fign. nicht dargestellt.

Der Pleuel 18 wird in bekannter Weise von einer Kurbelwelle 26 bewegt. Diese Kurbelwelle 26 weist Gegengewichte 28 mit Hubzapfen 30 auf, an denen die einzelnen Pleuel 18 gelagert sind. Das Kurbelwellenpleuellager 32 wird in bekannter Weise mit unter Druck stehendem Motoröl beaufschlagt und weist einen Schmiermittelpfad 33 auf. Das entsprechende Schmiermittelsystem weist eine Pumpe 34 auf, die Motoröl aus dem Ölsumpf 36 des Gehäuses 12 ansaugt. Neben der Schmierung dient das Motoröl auch der Kühlung beispielsweise der Lager der Brennkraftmaschine 10.

Wie anhand von Fig. 1 zu erkennen ist, befindet sich am oberen Ende des Pleuels 18 ein (z. B. Exzenter-)Verstellelement 38 in Form eines Verstellhebels 39, der schwenkbar am Pleuel 18 gelagert ist. Exzentrisch zum Schwenkpunkt 40 des Verstellelements 38 ist der Zapfen 42 gelagert, der den Verdichtungskolben 16 trägt. Der Mittelpunkt des Zapfens 42 ist bei 44 gezeigt. Durch Verschwenken des Verstellelements 38 verschiebt sich also der Verdichtungskolben 16 gegenüber dem Pleuel 18.

Der Verstellhebel 39 weist ein erstes Ende 46 und ein diesem abgewandtes zweites Ende 48 auf, an denen jeweils Kolbenstangen 50, 52 gelenkig gelagert sind. Die Kolbenstangen 50, 52 sind Teil zweier Zylinder/Kolben-Stützeinheiten 54, 56, von denen die erste Stützeinheit 54 einen im Pleuel 18 ausgebildeten ersten Stützzylinder 58 mit einem in diesem verschiebbar geführten erste Stützkolben 60 aufweist, während die zweite Stützeinheit 56 einen zweiten Stützzylinder 62 mit in diesem geführten zweiten Stützkolben 64 aufweist. Diese beiden Stützeinheiten 54, 56 dienen der Verriegelung des Verstellelements 38 in seinen beiden Maximalverschwenkpositionen, in denen jeweils ein anderer der beiden Stützkolben 60, 64 am Boden 66 bzw. 68 des jeweiligen Stützzylinders 58 bzw. 62 anliegt.

Zwischen dem Stützkolben und dem Boden des zugehörigen Stützzylinders einer jeden Stützeinheit 54, 56 bildet sich der Arbeitsraum 70 bzw. 72, in den bzw. aus dem Hydraulikfluid gelangt bzw. abgeführt wird, wenn das Verdichtungsverhältnis verstellt wird. Hierzu münden in jeden der beiden Arbeitsräume 70, 72 jeweils ein Zulaufkanal 74 bzw. 76 und ein Ablaufkanal 78 bzw. 80 ein. Über einen hydraulischen Schaltkreis mit beispielsweise Drosseln bzw. Blenden 82, 84, Rückschlagventilen 86, 88 sowie einem Umschaltventil 90 sind die beiden Arbeitsräume 70, 72 miteinander verschaltet, so dass die gewünschte Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von einem hohen auf einen niedrigen Wert oder umgekehrt erfolgen kann. Der Hydraulikschaltkreis ist dabei über den Kanal 92 mit dem Pleuellager 32 und somit mit dem

Schmiermittelpfad 33 des Pleuellagers 32 verbunden. Somit wird der Hydraulikkreislauf letztendlich mit Motoröl versorgt.

Bei dem Umschaltventil 90 handelt es sich um ein 2/3-Wegeventil, also um ein Ventil, dass zwei Schaltstellungen einnehmen kann und drei Anschlüsse aufweist. Die drei Anschlüsse werden in den zwei Schaltstellungen in unterschied- licher Weise miteinander verbunden bzw. untereinander blockiert. Die Betätigung des Umschaltventils 90 erfolgt beispielsweise mechanisch, elektrisch, magnetisch oder hydraulisch und zwar immer dann, wenn das Verdichtungsverhältnis von dem einen Wert auf den anderen Wert verändert werden soll . Die konstruktive Lösung zur Verstellung des Umschaltventils 90 ist nicht Gegenstand der Erfindung und soll hier daher auch nicht weiter beschrieben werden. Beispiele für diesbezügliche Konstruktionen sind in WO 2014/019683 AI und WO 2014/019684 AI beschrieben.

In den Fign. 1 bis 6 befindet sich das Umschaltventil 90 in derjenigen Stellung, in der sich das Verdichtungsverhältnis von einem hohen auf einen niedrigen Wert verändern lässt. Ausgangspunkt ist Fig. 1; das Verdichtungsverhältnis ist in diesem Fall maximal, was bedeutet, dass der Verdichtungskolben 16 seinen größtmöglichen Abstand zum Pleuel 18 hat. Der zweite Stützkolben 64 liegt am Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 an, während sich der Stützkolben 60 im Stützzylinder 58 auf einem Ölpolster abstützt, da der Arbeitsraum 70 des Stützzylinders 58 mit Motoröl gefüllt ist.

In der ersten Umschaltstellung des Umschaltventils 90 gemäß den Fign. 1 bis 6 kann Motoröl als Folge eines Verschiebens des ersten Stützkolbens 60 in den ersten Stützzylinder 58 hinein aus dessen Arbeitsraum 70 herausgedrückt werden, wobei als Folge der Verschiebung des ersten Stützkolbens 60 der zweite Stützkolben 64 sich vom Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 wegbewegt und somit Motoröl in den zweiten Stützzylinder angesaugt wird. Ein dazu umgekehrter Motorölfluss ist durch den Hydraulikschaltkreis und in Folge der Einnahme der ersten Stellung des Umschaltventils 90 ausgeschlossen.

Fig. 1 zeigt die Situation unmittelbar vor Zündung des im Brennraum 20 verdichteten Luft- Kraftstoff-Gemisches. Als Folge der Zündung wirken auf den Verdichtungskolben 16 Gaskräfte, die bei freigegebenem Ablaufkanal 78 zu einer Verdrehung des Verstellelements 38 in Richtung des Pfeils 96 führen. Wenn der Verdichtungskolben 16 seinen unteren Totpunkt erreicht hat (siehe Fig. 2), ist demzufolge der erste Stützkolben 60 bereits weiter in den ersten Arbeitsraum 70 des ersten Stützzylinders 58 eingetaucht, während der zweite Stützkolben 64 sich vom Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 wegbewegt hat und dabei Hydraulikfluid in dessen Arbeitsraum 72 gelangt. Fig. 3 zeigt die Situation, wenn Verdichtungskolben 16 zum Ende des Ausstoßtakts wieder seinen oberen Totpunkt erreicht, von dem aus er während des Ansaugtakts wieder seinen unteren Totpunkt erreicht, was in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Phase wirken keinerlei Gaskräfte auf den Verdichtungskolben, die diesen relativ zum Pleuel 18 verschieben könnten. Allenfalls könnten bei oder kurz nach dem Durchfahren des unteren Totpunkts (Fig. 2) auf den Verdichtungskolben 16 Massenkräfte wirken, die den Verdichtungskolben 16 gegen den Pleuel 18 drücken/bewegen.

Diese Gaskräfte wirken aber wieder bei der nächsten Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Als Folge davon verschwenkt der Verstellelement 38 wiederum in Richtung des Pfeils 96, wobei hier angenommen wird, dass nach zweimaligem Wirken von Gaskräften auf den Verdichtungskolben dieser seine zum Pleuel 18 hin naheste Position einnimmt. In dieser Position ist der erste Stützkolben 60 gegen den Boden 66 des ersten Stützzylinders 58 verfahren, während der zweite Stützkolben 64 seine Position mit maximalem Abstand zum Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 eingenommen hat. Der gesamte zweite Arbeitsraum 72 des zweiten Stützzylinders 62 ist mit Motoröl gefüllt. In der Folge wirkende Gaskräfte verstellen den Verdichtungskolben 16 also nicht weiter.

In den Fig. 7 bis 12 sind einzelne Phasen zweier aufeinander folgender Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine 10 gezeigt, die genutzt werden, um das Verdichtungsverhältnis ausgehend von dem gemäß Fig. 6 eingestellten niedrigen auf den hohen Wert gemäß Fig. 12 bzw. gemäß Fig. 1 zu verstellen. Das Umschaltventil 90 nimmt dabei seine zweite Stellung ein, in der Motoröl aus dem zweiten Arbeitsraum 72 abführbar ist, während Motoröl in den ersten Arbeitsraum 70 ansaugbar einbringbar ist. Die Abführung von Motoröl aus dem zweiten Arbeitsraum 72 erfolgt in Folge des sich (weiter) in den zweiten Stützzylinder 62 vorbewegenden zweiten Stützkolben 64, was bedeutet, dass sich gleichzeitig der erste Stützkolben 60 vom Boden 66 des ersten Stützzylinders 58 wegbewegt und sozusagen Motoröl ansaugt. In der zweiten Stellung des Umschaltventils 90 ist ausschließlich diese Richtung von Motoröltransfer möglich; ein Zurückfließen von Motoröl ist durch den Hydraulikschaltkreis ausgeschlossen.

Ausgangspunkt ist die Situation gemäß Fig. 7. Nach Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erreicht der Verdichtungskolben 16 seinen unteren Totpunkt. Aufgrund der Beschleunigungen, die auf den Verdichtungskolben 16 beim Durchfahren des unteren Totpunkts wirken, entsteht eine auf den Verdichtungskolben 16 wirkende Kraft, die den Kolben 16 nach unten drückt, während der Pleuel 18 sich bereits nach oben bewegt. Eine Relativverschiebung von Verdichtungskolben 16 und Pleuel 18 und damit eine "Stauchung" der effektiven Länge des Pleuels 18 ist nicht möglich, da der erste Stützkolben 60 auf dem Boden 66 des ersten Stützzylinders 58 aufliegt. Bei Erreichen des nächsten oberen Totpunkts gemäß Fig. 8 wirken auf den Verdichtungskolben 16 Massenkräfte, die an dem Verdichtungskolben 16 "ziehen), wenn sich der Pleuel 18 nach dem Durchfahren des oberen Totpunkts wieder nach unten bewegt. Dieser Vorgang wiederholt sich beim nächsten Durchfahren des oberen Totpunkts (siehe die Fig. 10), wobei auch hier angenommen wird, dass die Endverschiebung des Verdichtungskolbens 16 relativ zum Pleuel 18 bereits nach zwei Arbeitszyklen erreicht ist, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. In der Situation gemäß Fign. 9 und 11 verschiebt sich beim Durchfahren des unteren Totpunkts des Pleuels 18 der Verdichtungskolben 16, auf den gegen diesen drückende Massenkräfte wirken, relativ zum Pleuel 18 nicht, da dies durch das Sperren des Rückflusses von Motoröl innerhalb des Hydraulikschaltkreises verhindert wird.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass man in beiden Varianten des Systems gemäß den Fign. 1 bis 12 und 13 bis 24 auch ein Umschaltventil einsetzen kann, das in einer dritten Umschaltstellung den Abfluss (und ggf. auch den Zufluss) von Motoröl in Arbeitsräume und aus diesen heraus unterbindet. Somit könnte das Verstellelement 38 in einer Zwischenstellung zwischen den Endstellungen gemäß Fign. 1 und 6 bzw. Fign. 13 und 19 verbleiben. Beide Stützkolben würden sich also jeweils auf einem Motorölpolster abstützen.

Wie bereits oben erwähnt, sind die aus den Massenkräften resultierenden Verstellkräfte insbesondere bei geringen Drehzahlen der Brennkraftmaschine deutlich geringer als die aus den Gaskräften resultierenden Verstellkräfte. Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von einem kleinen Wert auf einen großen Wert ist also deutlich kritischer als die Verstellung von einem großen Verdichtungsverhältnis zu einem kleinen Verdichtungsverhältnis. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß das bei Verstellung von kleinem zu großem Verdichtungsverhältnis aus dem zweiten Stützzylinder 62 herausgedrückte Motoröl direkt in das Gehäuse 12 der Brennkraftmaschine 10 und damit in den Ölsumpf 36 abgelassen. Dies ist in den Fign. 7 bis 12 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fign. 1 bis 12 gilt diese Vorgehensweise auch für den Fall, dass Motoröl aus dem Arbeitsraum 70 des ersten Stützzylinders 58 herausgedrückt wird, wenn sich der erste Stützkolben 60 weiter in den ersten Stützzylinder 58 hineinbewegt (siehe Fign. 1 bis 6). Bei dieser Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von hohem zu niedrigem Wert wäre aber eine derartige Maßnahme nicht zwingend erforderlich, da, wie oben erwähnt, die Gaskräfte ausreichend groß sind. Die zuvor beschriebene Maßnahme ist also insbesondere hilfreich bei Ausnutzung der Massenkräfte zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses, was in erster Linie zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von einem kleinen Wert auf einen großen Wert erforderlich ist.

Durch das Ablassen des Motoröls aus dem zweiten Stützzylinder 62 direkt in das Gehäuse 12 der Brennkraftmaschine ist der Strömungswiderstand, den das herausgedrückte Motoröl erfährt deutlich geringer als in den Fällen, in denen das abgelassene Motoröl wieder in dem Hydraulikkreislauf direkt eingekoppelt wird.

Wie bereits oben erwähnt, bedarf es dieser Maßnahme nicht zwingend für den Fall, dass das Motoröl aus dem ersten Arbeitsraum 70 des ersten Stützzylin- ders 58 herausgedrückt wird. In den Fign. 13 bis 24 ist daher eine Variante des Hydraulikschaltkreises mit gegenüber den Fig. 1 bis 12 alternativ ausgestaltetem Umschaltventil 90' gezeigt. Das Umschaltventil 90' ist als 2/4-Wege- ventil ausgebildet, wobei über einen der Ventilanschlüsse Motoröl direkt in das Gehäuse abgelassen werden kann, während es über einen anderen Anschluss direkt dem Hydraulikkreis zugeführt wird. Die Situationen gemäß den Fign. 13 bis 18 entspricht den in den Fign. 1 bis 6 gezeigten Situationen. Hier wird also wiederum gezeigt, wie die Verstellung des Verdichtungskolbens 16 in Richtung auf den Pleuel 18, also eine "Pleuelstauchung" erfolgt. Das aus dem ersten Arbeitsraum 70 verdrängte Motoröl gelangt dabei direkt in den Hydraulikkreislauf zurück. Demgegenüber ist die Schaltstellung des Umschaltventils 90' gemäß den Fign. 19 bis 24 derart, dass aus dem Arbeitsraum 72 des zweiten Stützzylinders 62 verdrängtes Motoröl direkt in das Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 und damit in dessen Sumpf 36 abgelassen wird.

Ein gewisses Problem der Abführung von beim Verstellen des Verdichtungsverhältnisses aus dem betreffenden Stützzylinder verdrängtem Motoröl direkt in das Gehäuse der Brennkraftmaschine besteht darin, dass es einer Fluidverbin- dung von Zulaufkanal und Ablaufkanal über den Arbeitsraum des betreffenden Stützzylinders bedarf. Solange die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses noch nicht abgeschlossen ist, ist dieser "Kurzschluss" aus den oben genannten Gründen gewünscht. Wenn sich aber der Verdichtungskolben 16 gegenüber dem Pleuel 18 bis in eine der beiden Endstellungen verschoben hat, die Brennkraftmaschine also bei dem gewünschten eingestellten Verdichtungsverhältnis arbeitet, ist es zweckmäßig, wenn dieser Kurzschluss nicht mehr existiert. Zu diesem Zweck wird nachfolgend anhand der Fign. 25 bis 28 auf mehrere Ausführungsbeispiele Bezug genommen, bei denen der Stützkolben in dem betreffenden Stützzylinder für eine Blockierung der Fluidverbindung von Zulaufkanal und Ablaufkanal sorgt. Dies wird nachfolgend am Beispiel der zweiten Zylinder/Kolben-Stützeinheit 56 erläutert, wobei in den Fign. 25 bis 28 ein Teil des Hydraulikschaltkreises der Fign. 1 bis 24 gezeigt und insbesondere die wahlweise in Fluidverbindung mit dem Auslasskanal 80 bringbare Auslassöffnung 97 gezeigt ist, die sich in der Außenseite 98 des Pleuels 18 befindet und über die Motoröl des Hydraulikschaltkreises direkt in das Gehäuse 12 der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 abgelassen wird.

Gemäß Fig. 25 weist der zweite Stützkolben 64 einen Kolbenring in Form eines Umfangs-Dichtelements 100 auf, über den der zweite Arbeitsraum 72 im zweiten Stützzylinder 62 abgedichtet ist. Bis zur Einnahme der Endstellung des Stützkolbens 64, in der dieser an der Bodenwand 68 des zweiten Stützzylinders 62 anliegt, wird die Fluidverbindung zwischen dem Zulaufkanal 76 und dem Ablaufkanal 80 aufrechterhalten. Bei am Boden 68 des ersten Stützzylinders 62 anliegenden zweiten Stützkolben 64 verschließt nun das Umfangs- Dichtelement 100 die Einmündungsöffnung 102 des Ablaufkanals 80. Die Situation könnte auch umgekehrt realisiert sein, indem nämlich die Einmündungsöffnung 104 des Zulaufkanals 76 durch das Umfangs-Dichtelement 100 verschlossen ist.

Fig. 26 zeigt eine Ausgestaltung für die Versperrung der Fluidverbindung zwischen dem Zulaufkanal 76 und dem Ablaufkanal 80 in Form einer Labyrinth- Dichtung 105. Hierbei ist in der dem Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 zugewandten Stirnseite 106 des zweiten Stützkolbens 64 eine ringförmige Vertiefung 108 eingearbeitet, in die ein vom Boden 68 aufragender ringförmiger Vorsprung 110 eintaucht, wenn der zweite Stützkolben 64 am Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 anliegt. Anstelle einer ringförmigen Vertiefung 108 im zweiten Stützkolben 64 können auch mehrere, vorzugsweise konzentrisch angeordnete ringförmig Vertiefungen 108 vorgesehen sein, wobei dann auch vom Boden 68 des zweiten Stützzylinders 62 mehrere vorzugsweise konzentrische, ringförmige Vorsprünge 110 aufragen. Durch diese Labyrinth-Dichtung ist die Fluidverbindung zwischen Zulaufkanal 76 und Ablaufkanal 80 versperrt.

Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 26 ist die Vertiefung 108 im zweiten Stützkolben 64 und der Vorsprung 110 am Boden des zweiten Stützzylinders 62 ausgebildet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Situation auch genau umgekehrt möglich ist bzw. dass bei mehreren Vertiefungen und Vorsprüngen diese wechselweise im zweiten Stützzylinder 62 und im zwei- ten Stützkolben 64 angeordnet sein können. Entscheidend ist, dass durch das Zusammenwirken von Vertiefung und Vorsprung es zu einer Verengung und Verlängerung der Fluidverbindung zwischen Zulaufkanal 76 und Ablaufkanal 80 kommt, womit die gewünschte Abdichtwirkung erzielt wird.

In den Fign. 27 und 28 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen in der Stirnseite 106 des zweiten Stützkolbens 64 ein Dichtelement 112 bzw. 114 angeordnet sind, das entweder die Einmündungsöffnung 104 des Zulaufkanals 76 oder die Einmündungsöffnung 102 des Ablaufkanals 80 allseitig versperren. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 27 handelt es sich bei dem Dichtelement um einen O-Ring, während das Dichtelement 114 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 28 als Plättchen, Scheibe, Block, Streifen o.dgl . ausgebildet ist. Während gemäß Fig. 28 das Dichtelement 114 die Einmündungsöffnung 104 bzw. 102 (je nach Ausgestaltung) verschließt, bleibt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 27 die entsprechende Öffnung unverschlossen, wobei jedoch durch das Dichtelement 112 die Fluidverbindung zur jeweils anderen Einmündungsöffnung versperrt wird.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer VCR-Hubkolbenmaschine beschrieben, bei der zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses die effektive Länge des Pleuels verändert wird. Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass die Erfindung nicht auf derartige VCR-Hubkolbenmaschinen beschränkt ist. Die Erfindung ist vielmehr generell anzuwenden bei der hydraulischen Verstellung einer Triebwerkskomponente unter Ausnutzung der während des Betriebs auf die Triebwerkskomponente wirkenden Kräfte. Auch ist es möglich, dass die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses durch Variation des Öldrucks unterstützt wird.

Das Verdichtungsverhältnis lässt sich erfindungsgemäß für sämtliche Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, für sämtliche Zylinder einer Zylinderbank der Verbrennungskraftmaschine und/oder für die einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine aktiv oder passiv einstellen. Hierbei wird bevorzugt die Geometrie einer Triebwerkskomponente wie beispielsweise die Pleuellänge, der Kurbelwellenradius, die Lagerung der Kurbelwelle und/oder die Lagerung des Verdichtungskolbens am Pleuel und damit die effektive Pleuellänge verändert. Bevorzugt erfolgt dies hydraulisch, d.h. unter Einsatz eines Mediums. Hier eignet sich vor allem als Medium das Motoröl. Die aktive Verstellung bedeutet, dass durch Einwirken von externen Verstellkräften auf den Verstellmechanismus eine Verstellung der betreffenden Triebwerkskomponente erzielt wird. Die passive Verstellung besagt, dass auf die Triebwerkskomponente beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wirkende Kräfte wie die Gasdruckkräfte und die Massenkräfte ausgenutzt werden, um eine Verstellung der Triebwerkskomponente zu bewirken. Bei der passiven Verstellung kommt es also aufgrund der Ausnutzung dieser Kräfte zu einer automatischen Verstellung der Triebwerkskomponente, während bei der aktiven Verstellung von außen, d.h. zusätzlich zu den zuvor genannten wirkenden Kräften oder unabhängig von diesen noch weitere Verstellkräfte eingebracht werden.

Bezugszeichenliste Hubkolben-Brennkraftmaschine

Gehäuse

Zylinder

Verdichtungskolben

Pleuel

Brennraum

Auslasskanal

Kurbelwelle

Gegengewichte

Hubzapfen

Kurbelwellenpleuellager

Schmiermittelpfad

Motoröl-Pumpe

Ölsumpf

Verstellelement

Verstellhebel

Schwenkpunkt des Verstellelements/Verstellhebels Lagerzapfen für den Verdichtungskolben

erstes Ende des Verstellelements

zweites Ende des Verstellelements

Kolbenstange

Kolbenstange

Zylinder/Kolben-Stützeinheit

Zylinder/Kolben-Stützeinheit

Stützzylinder

Stützkolben

Stützzylinder

Stützkolben

Boden, Bodenwand des Stützzylinders

Boden, Bodenwand des Stützzylinders

Arbeitsraum des Stützzylinders 72 Arbeitsraum des Stützzylinders

74 Zulaufkanal zum Arbeitsraum

76 Zulaufkanal zum Arbeitsraum

78 Ablaufkanal vom Arbeitsraum

80 Ablaufkanal vom Arbeitsraum

82 Blende des Hydraulikschaltkreises

84 Blende des Hydraulikschaltkreises

86 Rückschlagventil des Hydraulikschaltkreises

88 Rückschlagventil des Hydraulikschaltkreises

90 Umschaltventil des Hydraulikschaltkreises

90' Umschaltventil des Hydraulikschaltkreises

92 Kanal

94 Pfeil

96 Pfeil

97 Auslassöffnung

98 Außenseite des Pleuels

100 Umfangs-Dichtelement

102 Einmündungsöffnung des Ablaufkanals

104 Einmündungsöffnung des Zulaufkanals

105 Labyrinth-Dichtung

106 Stirnseite des Stützkolbens

108 Vertiefung

110 Vorsprung

112 Dichtelement

114 Dichtelement