WO2011107127A1

WO2011107127A1 - Verfahren zum betreiben einer hubkolbenmaschine

Info

Publication number: WO2011107127A1
Application number: PCT/EP2010/007313
Authority: WO
Inventors: Tilmann RÖMHELD; Michael Wagenplast
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2011-09-09
Also published as: DE102010009910A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mindestens ein an einem Hubzapfen (14) einer Kurbelwelle (12) gelagertes und mit einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundenes Hebelelement (16) mittels einer korrespondierenden Stelleinrichtung (24) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (14) eingestellt wird, wobei zumindest zwei an einem jeweiligen Hubzapfen (14) gelagerte und mit jeweils einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundene Hebelelemente (16) mittels jeweils einer zugeordneten Stelleinrichtung (24) unabhängig voneinander zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in jeweilige, voneinander unterschiedliche Drehstellungen relativ zu dem jeweils korrespondierenden Hubzapfen (14) eingestellt werden.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Die WO 2007/092168 A2 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis. Zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist eine

Kurbelwelle des Verbrennungsmotors an einem exzentrischen Träger gelagert, wodurch die Position der Drehachse der Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse des

Verbrennungsmotors eingestellt werden kann. Der exzentrische Träger ist dabei über eine Gabel von einem hydraulischen Aktuator betätigbar. Dieser Verbrennungsmotor weist weiteres Potenzial zur Darstellung eines effizienten Betriebs auf.

Aus der WO 02/12694 A1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben bekannt, der mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt ist und dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle der Hubkolben- Brennkraftmaschine übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein

Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten, insbesondere um eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses zu ermöglichen. Auch diese

Hubkolben-Brennkraftmaschine weist Potenzial zur Darstellung eines noch effizienteren Betriebs auf.

Die US 2007/0150164 1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem variablen

Verdichtungsverhältnis sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen

Verbrennungsmotors, welcher dazu ausgelegt ist, mit einem aus einer Mehrzahl von Verdichtungsverhältnissen auswählbaren Verdichtungsverhältnis betrieben zu werden. Auch dieser Verbrennungsmotor weist weiteres Potential auf, dessen Betrieb effizienter zu gestalten. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welches einen effizienten Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit

zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mindestens ein an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagertes und mit einem korrespondierendem Pleuel verbundenes Hebelelement mittels einer korrespondierenden Stelleinrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen eingestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zwei an einem jeweiligen Hubzapfen gelagerte und mit jeweils einem korrespondierenden Pleuel verbundene Hebelelemente mittels jeweils einer zugeordneten Stelleinrichtung unabhängig voneinander zur

Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in jeweilige, voneinander unterschiedliche Drehstellungen relativ zu dem jeweils korrespondierenden Hubzapfen eingestellt werden. Das bedeutet also, dass jeweilige zu dem jeweiligen Hubzapfen korrespondierende Verdichtungsverhältnisse von jeweiligen, zu den jeweiligen Hubzapfen

korrespondierenden Arbeitsräumen, insbesondere Zylindern, der Hubkolbenmaschine eingestellt werden, die sich voneinander unterscheiden.

Diese arbeitsraumindividuelle Einstellung des Verdichtungsverhältnisses

beziehungsweise der Verdichtungsverhältnisse erlaubt die Darstellung eines sehr effizienten Betriebs der Hubkolbenmaschine, da das Verdichtungsverhältnis an jeweilige, herrschende Bedingungen in dem Arbeitsraum angepasst werden können. Wird beispielsweise einer dieser Arbeitsräume in einem befeuerten Betrieb betrieben, in welchem Kraftstoff in den Arbeitsraum eingebracht, insbesondere eingespritzt, und ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt wird, während der andere der Arbeitsräume in einem nicht befeuerten Betrieb betrieben wird, in welchem kein Kraftstoff in den

Arbeitsraum eingebracht wird, wie es beispielsweise in einem Schubbetrieb der Fall ist, so erfordern diese voneinander unterschiedlichen Betriebszustände der Arbeitsräume gegebenenfalls voneinander unterschiedliche, jeweilige Verdichtungsverhältnisse und damit voneinander unterschiedliche Einstellungen der jeweiligen Hebelelemente relativ zu dem jeweils korrespondierenden Hubzapfen zur Darstellung optimaler Bedingungen in dem Arbeitsraum. Dies führt zu einem sehr effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine. Dies ist durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, woraus ein geringer

Kraftstoffverbrauch und damit geringe C0₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine resultieren.

In einem Schubbetrieb der Hubkolbenmaschine, in welchem die Hubkolbenmaschine also über Räder eines Kraftwagens angetrieben wird, ist es zur Einsparung von Kraftstoff vorteilhaft, eine Kraftstoffzufuhr in die Arbeitsräume, insbesondere Zylinder, der

Hubkolbenmaschine zu beenden beziehungsweise kein Kraftstoff in die Arbeitsräume einzubringen, da Verbrennungsvorgänge zum Betrieb der Hubkolbenmaschine nicht vonnöten sind. Gleichzeitig ist es jedoch wünschenswert, eine zu der Hubkolbenmaschine korrespondierende Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise ein Katalysator, auf Betriebstemperatur zu halten, um in einem sich zeitlich an den Schubbetrieb anschließenden befeuerten Betrieb der Hubkolbenmaschine eine verzögerungsfreie Reinigung von Abgas der Hubkolbenmaschine durch die

Abgasnachbehandlungseinrichtung zu gewährleisten. Um die

Abgasnachbehandlungseinrichtung auf Betriebstemperatur zu halten, wird in zumindest einen der Arbeitsräume auch im Schubbetrieb Kraftstoff eingebracht, um entweder infolge einer Verbrennung heißes Abgas zu erzeugen, um mit diesem Abgas die

Abgasnachbehandlungseinrichtung auf ihrer Betriebstemperatur zu halten oder um unverbrannten Kraftstoff aus dem Arbeitsraum auszuschieben, woraufhin sich der unverbrannte Kraftstoff an der noch warmen Abgasnachbehandlungseinrichtung entzündet und diese infolge dieser Verbrennung dadurch warm hält beziehungsweise erwärmt.

Wird nun ein Arbeitsraum in einem nicht befeuerten Betrieb betrieben, während ein weiterer Arbeitsraum in einem befeuerten Zustand beschrieben wird, so erfordern, wie bereits ausgeführt, diese unterschiedlichen Betriebszustände gegebenenfalls

unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse, um optimale Bedingungen zur Darstellung eines effizienten Betriebs der Hubkolbenmaschine darstellen zu können. Das

erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun diese Einstellung der

arbeitsraumindividuellen Bedingungen durch die arbeitsraumindividuelle Einstellung der Hebelelemente und damit der Verdichtungsverhältnisse.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in einem Schubbetrieb und/oder in einem Leerlaufbetrieb der Hubkolbenmaschine durch Einstellen zumindest eines Hebelelements das zu dem einen Hebelelement korrespondierende

Verdichtungsverhältnis beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis des zu dem einen Hebelelement korrespondierenden Arbeitsraums, insbesondere Zylinders, reduziert und durch Einstellen zumindest eines weiteren Hebelelements das zu dem zumindest einen weiteren Hebelelement korrespondierende Verdichtungsverhältnis beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis des zu dem zumindest einen weiteren Hebelelement

korrespondierenden Arbeitsraums, insbesondere Zylinders, erhöht. Dadurch werden in den jeweiligen Arbeitsräumen optimale Randbedingungen geschaffen, um den jeweiligen Betriebszuständen der Arbeitsräume Rechnung zu tragen und einen sehr effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine einzustellen.

Ein besonders effizienter und damit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der

Hubkolbenmaschine bei gleichzeitigem Halten der Abgasreinigungseinrichtung auf Betriebstemperatur ist dadurch realisierbar, dass Kraftstoff in den Arbeitsraum

eingebracht, insbesondere eingespritzt wird, welcher zu dem Hebelelement

korrespondiert, durch dessen Einstellung das korrespondierende Verdichtungsverhältnis erhöht wird, während beispielsweise die Kraftstoffzufuhr in den Arbeitsraum beendet wird, welcher zu dem Hebelelement korrespondiert, durch dessen Einstellung das

korrespondierende Verdichtungsverhältnis reduziert wird.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Einbringen von Kraftstoff in den jeweiligen Arbeitsraum mit einem befeuerten Betrieb des jeweiligen Arbeitsraums einhergeht, wodurch eine Verbrennung in dem Arbeitsraum stattfindet. In diesem Falle ist die

Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und damit die Darstellung optimaler

Verbrennungsbedingungen besonders vorteilhaft. Des Weiteren geht das Beenden der Kraftstoffzufuhr in den jeweiligen Arbeitsraum einher mit einem nicht befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zunächst in den zumindest einen zu dem einen der Hebelelemente korrespondierenden Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine Kraftstoff eingebracht und die Kraftstoffzufuhr in den zumindest einen weiteren zu dem einen weiteren der Hebelelemente korrespondierenden

Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine beendet. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer, insbesondere in einem Schubbetrieb und/oder in einem Leerlaufbetrieb der

Hubkolbenmaschine, wird die Kraftstoffzufuhr in den zumindest einen zu dem einen der Hebelelemente korrespondierenden Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine beendet und Kraftstoff in den zumindest einen weiteren zu dem einen weiteren der Hebelelemente korrespondierenden Arbeitsraum eingebracht. Das bedeutet also, dass nach dieser Zeitdauer in den Arbeitsraum Kraftstoff eingebracht wird, bei welchem während der Zeitdauer, also über diese hinweg, die Kraftstoffzufuhr nicht stattgefunden hat, also beendet beziehungsweise ausgesetzt war und gleichzeitig nach dieser Zeitdauer die Kraftstoffzufuhr in den Arbeitsraum beendet wird, in welchen während dieser Zeitdauer, also über diese hinweg, Kraftstoff eingebracht wurde. Dies ermöglicht zum einen die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitigem Halten der

Abgasnachbehandlungseinrichtung auf deren Betriebstemperatur sowie gleichzeitig eine Vermeidung eines zu starken Auskühlens des Arbeitsraums, dessen Kraftstoffzufuhr zunächst beendet wird. Dies wirkt sich positiv auf die Bedingungen für eine anschließende Verbrennung sowie auf Schmiereigenschaften von Schmiermittel, insbesondere

Schmieröl, der Hubkolbenmaschine aus.

Ist die Hubkolbenmaschine beispielsweise als vierzylindrige Hubkolbenmaschine ausgebildet, also weist die Kurbelwelle vier Hubzapfen auf, so ist es äußerst

vorteilbehaftet, wenn beispielsweise zwei Zylinder mit einem hohen

Verdichtungsverhältnis und zwei Zylinder mit einem relativ dazu niedrigen

Verdichtungsverhältnis betrieben werden, wobei lediglich in zwei dieser Zylinder Kraftstoff eingebracht und eine Verbrennung durchgeführt wird, diese also in einem befeuerten Betrieb betrieben werden. Vorteilhafterweise erfolgt das Einbringen von Kraftstoff beziehungsweise das Beenden der Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von einer Zündfolge der Zylinder. Ebenso möglich ist, dass bei einem Zylinder durch Einstellen des

korrespondierenden Hebelelements ein hohes Verdichtungsverhältnis und bei den drei übrigen Zylindern ein relativ dazu niedriges Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Eine dazu umgekehrte Einstellung ist ebenso möglich, wobei also bei drei Zylindern ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, während bei einem Zylinder ein relativ dazu niedriges Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Analoges gilt für das Einbringen und damit für das befeuerte beziehungsweise nicht befeuerte Betreiben der Zylinder, wobei also in einen Zylinder Kraftstoff eingebracht und dieser befeuert betrieben wird, während die Kraftstoffzufuhr in die anderen drei Zylindern beendet wird und diese in einem nicht befeuerten Betrieb betrieben werden beziehungsweise umgekehrt. Wie bereits ausgeführt, ist es für die Verbrennung vorteilhaft, das Verdichtungsverhältnis des

Zylinders beziehungsweise die Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zu erhöhen, welche befeuert betrieben werden, also in welche Kraftstoff eingebracht wird, während das Verdichtungsverhältnis des Zylinders beziehungsweise die Verdichtungsverhältnisse der Zylinder, die nicht befeuert betrieben werden, also in die keine Kraftstoff eingebracht wird, insbesondere im Vergleich zu dem hohen Verdichtungsverhältnis beziehungsweise zu den hohen Verdichtungsverhältnissen, zu reduzieren. Analoges gilt auch für eine dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine, welche also drei Zylinder und damit eine Kurbelwelle mit drei Hubzapfen aufweist. Dabei werden zum Beispiel die Verdichtungsverhältnisse zweier Zylinder erhöht und das

Verdichtungsverhältnis des dritten Zylinders insbesondere relativ dazu reduziert. Eine dazu umgekehrte Einstellung ist ebenso möglich. Des Weiteren ist ebenso möglich, in zwei der Zylinder Kraftstoff einzubringen und diese befeuerten zu betreiben, während die Kraftstoffzufuhr in den dritten Zylinder beendet und dieser in einem nicht befeuerten Betrieb beendet wird.

Aus den Ausführungen geht hervor, dass die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine eine sehr hohe Flexibilität und viele Freiheitsgrade bietet, den Kraftstoffverbrauch und damit die C0₂-Emissionen deutlich zu reduzieren bei gleichzeitiger Geringhaltung von

Emissionen und von Abgaswerten infolge des Haltens der

Abgasnachbehandlungseinrichtung auf deren Betriebstemperatur.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. 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 angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines Kurbeltriebs einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle mit vier Hubzapfen, an welchen jeweils ein mit einem korrespondierenden Pleuel verbundenes Hebelelement gelagert ist, wobei jedem der Hebelelemente jeweils eine hydraulisch betätigbare und eine translatorische Bewegung ausführbare Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das jeweilige Hebelelement zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen eingestellt wird; Fig. 2 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines mit einem

Pleuel und einer zugeordneten Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine weitere perspektivische Ansicht des mit dem Pleuel und der

Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Draufsicht des mit dem Pleuel und der

Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß den Fig. 2 und 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Stelleinrichtung gemäß den vorhergehenden

Figuren; und

Fig. 6 fünf Längsschnittansichten der Stelleinrichtung gemäß Fig. 5 in

voneinander unterschiedlichen Stellungen zur Darstellung

unterschiedlicher Drehstellungen des Hebelelements und damit zur Darstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse der Hubkolbenmaschine.

Die Fig. 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle 12. Die Kurbelwelle 12 weist vier Hubzapfen 14 auf, an welchem jeweils ein Hebelelement 16 gelagert ist, wobei sich also die Hebelelemente 16 relativ zu den jeweiligen Hubzapfen 14 um diese drehen können. Die Hebelelemente 16 sind jeweils mit einem Pleuel 18 gelenkig verbunden und als Querhebel ausgebildet, welche quer zur Rotationsachse der

Kurbelwelle 12 verlaufen. Die Pleuel 18 weisen wiederum jeweils ein Pleuelauge 22 auf, über welche das jeweilige Pleuel 22 mit einem in einem Zylinder der Hubkolbenmaschine verschieblich angeordneten Kolben der Hubkolbenmaschine verbindbar ist. Wie bekannt ist, führen die Kolben der Hubkolbenmaschine infolge von Gasexpansionen durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder translatorische Bewegungen durch, die über die Pleuel 18 und die Hebelelemente 16 auf die Hubzapfen 14 und weiter auf die Kurbelwelle 12 übertragen und in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt werden, wodurch sich also die Kurbelwelle 12 gemäß einem Richtungspfeil 20 um ihre Rotationsachse dreht.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, legen dabei die Kolben und damit die Pleuel 22 stets den gleichen Hub, also die gleiche translatorische Aufwärts- und Abwärtsbewegung aus. Zur Darstellung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ist jedem Hebelelement 16 eine Stelleinrichtung 24 zugeordnet, welche gelenkig mit dem jeweiligen Hebelelement 16 verbunden ist. Mittels der Stelleinrichtungen 24 sind die Hebelelemente 16 zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen drehbar. Dies bewirkt eine Einstellung eines Endvolumens, welches auch als Kompressionsvolumen bezeichnet wird, in dem jeweiligen Zylinder im oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens, da die Drehstellung der Hebelelemente 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 die translatorische Position des unteren und oberen Totpunkts des Kolbens im Zylinder beeinflusst. Eine Vergrößerung des

Kompressionsvolumens führt zu einer Verkleinerung des Verdichtungsverhältnisses und/oder umgekehrt. Zur Einstellung der Hebelelement 16 und damit des

Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine führen die Stelleinrichtungen 24 eine translatorische Bewegung aus, die eine Drehung des jeweiligen Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen bewirkt.

Der Übersicht wegen ist die Funktion der Stelleinrichtungen 24 anhand einer

Stelleinrichtung 24 erläutert, welche in den folgenden Figuren dargestellt ist. Die Fig. 2 bis 5 zeigen die Stelleinrichtung 24, die einen einen Arbeitsraum 26 aufweisenden

Hydraulikzylinder 28 umfasst. In dem Hydraulikzylinder 28 bzw. dessen Arbeitsraum 26 ist ein verschiebbarer Kolben 30 angeordnet, welcher fest mit einer Schubstange 32 verbunden ist. Der Kolben 30 unterteilt den Arbeitsraum 28 in eine erste, in der Fig. 2 obere Steuerkammer 34 und eine in der Fig. 2 untere, zweite Steuerkammer 36, wobei die Steuerkammern 34 und 36 ein jeweiliges Volumen aufweisen, welche mit einem Arbeitsmedium in Form von Schmieröl der Hubkolbenmaschine beaufschlagbar sind. In der Fig. 2 befindet sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 in einer ersten Endstellung, in welcher das Volumen der Steuerkammer 34 minimal und das Volumen der Steuerkammer 36 maximal ist. In diesem Falle ist das Volumen der Steuerkammer 36 mit dem Schmieröl gefüllt, während die Steuerkammer 34 zumindest nahezu kein Schmieröl beinhaltet.

In dieser in der Fig. 2 gezeigten Stellung des Kolbens 30 und damit der Stelleinrichtung 24 nimmt das Hebelelement 16 eine erste Drehstellung relativ zu dem Hubzapfen 14 ein, in welchem ein geringes Verdichtungsverhältnis von beispielsweise ε = 7 vorliegt. Soll das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, so muss der Kolben 30 und damit die

Stelleinrichtung 24 von der in der Fig. 2 gezeigten ersten Endstellung herausbewegt und der Kolben 30 in Richtung einer Fläche 38 bewegt werden. Dies bedeutet also, dass das Volumen der Steuerkammer 36 verkleinert und das Volumen der Steuerkammer 34 vergrößert werden muss. Hierzu muss das Schmieröl aus der Steuerkammer 36 abgeführt und Schmieröl in die Steuerkammer 34 eingeleitet werden.

Um entsprechende und gewünschte Mengen von Schmieröl der jeweiligen Steuerkammer 34 und 36 zuzuteilen, sind Kanäle 40, 42, 44 und 46 vorgesehen, durch welche das Schmieröl fließen kann. Die Kanäle 40, 42 und 44 sind dabei durch entsprechende Steuerkanten 48, 50 und 52 eines bereichsweise in der Schubstange 32 aufgenommenen Steuerkolbens 54 freigebbar und verschließbar.

Zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses geben nun die entsprechenden

Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40 und 42 frei, woraufhin das Schmieröl über den Kanal 40 aus dem Steuerraum 36 hinaus und über den Kanal 42 in den Steuerraum 34 hineinfließen kann. Zudem kann weiteres Schmieröl über den Kanal 46 in den Steuerraum 34 einfließen, welchem Schmieröl über eine Welle 62 zuführbar ist. Der Kanal 46 ist dabei mit einer Schmierölversorgung der Hubkolbenmaschine verbunden und gewährleistet die Versorgung der Stelleinrichtung 24 mit ausreichend Arbeitsmedium in Form des

Schmieröls. Entsprechende Steuerventile in Form von Rückschlagventilen 56, 58 und 60 verhindern dabei einen unerwünschten Fluss von Schmieröl.

Die Stelleinrichtung 24 lässt insbesondere durch ein Einsatz der Rückschlagventile 56, 58 und 60 zusätzliche Einrichtungen zur Druckförderungen des Schmiermittels, also

Pumpen, obsolet werden oder ermöglicht zumindest eine geringe Dimensionierung einer solchen Einrichtung bezüglich ihrer Dimensionen und Leistung, da die Stelleinrichtung 24 quasi selbstständig infolge von an der Schubstange 32 anliegenden Wechselkräften das Schmieröl in die bzw. aus den Steuerkammern 34 und 36 fördert und zwar entsprechend der durch die Steuerkanten 48, 50 und 52 freigegebenen bzw. verschlossenen Kanäle 40, 42 und 44. Die genannten Wechselkräfte resultieren dabei aus aus der genannten Verbrennung resultierenden Druck- und Gaskräften im Zylinder, die über den Kolben, das Pleuel 18 und das Hebelelement 16 auf die Schubstange 32 und damit auf den Kolben 30 übertragen werden, der somit das Schmieröl in die oder aus den entsprechenden

Steuerkammern 34 und/oder 36 pumpt.

Dies bedeutet einen äußerst niedrigen Energiebedarf zur Einstellung des

Verdichtungsverhältnisses, was den Kraftstoffverbrauch und damit die C0₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine in einem geringen Rahmen hält. Dadurch, dass die Stelleinrichtung 24 eine translatorische Bewegung ausführt, birgt sie weiter den Vorteil, dass sie einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist bei gleichzeitiger Realisierung einer sehr präzisen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wodurch die Hubkolbenmaschine sehr präzise an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden kann und somit einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht.

Wie in Zusammenschau mit Fig. 1 deutlich wird, weisen der Kurbeltrieb 10 und damit die Hubkolbenmaschine weiterhin den Vorteil auf, dass die Hebelelemente 16 unabhängig voneinander durch die Stelleinrichtungen 24 einstellbar sind, wodurch auch das

Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder selektiv einstellbar ist.

Damit die Stelleinrichtung 24 Bewegungen des Hebelelements 16 sowie Bewegungen der Hubkolbenmaschine mit ausführen und gegebenenfalls ausgleichen kann, ist sie schwenkbar um die drehfest an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine abgestützte Welle 62 gehalten und somit schwenkbar und mittelbar am Kurbelgehäuse abgestützt. Die Welle 62 ist unter anderem durch Befestigungselemente 80 festgelegt.

Die Fig. 3 verdeutlicht die Betätigung des Steuerkolbens 54 zur Einstellung des

Hebelelements 16 und damit zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses. Zur

Betätigung des Steuerkolbens 54 umfasst die Stelleinrichtung 24 einen Stift 64, welcher die drehfest am Kurbelgehäuse festgelegte Welle 62 durchdringt und mit einem im Wesentlichen U-förmigen Betätigungselement 66 verbunden ist. Der die Welle 62 über eine entsprechende Bohrung durchdringenden Stift 64 und das im Wesentlichen U- förmige Betätigungselement 66 sind einstückig miteinander ausgebildet und mittels eines nicht dargestellten Aktuators magnetisch translatorisch in Bewegungsrichtung der Schubstange 32 bewegbar. Wird das Betätigungselement 66 über den Stift 64 in Richtung der Schubstange 32 bewegt, so drückt das Betätigungselement 66 den Steuerkolben 54 entgegen einer Federkraft eines einerseits am Steuerkolben 54 und andererseits an der Schubstange 32 abgestützten Federelements 68 in die entsprechende Richtung, woraus eine Relativbewegung des Steuerkolbens 54 zur Schubstange 32 resultiert. Dadurch geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei, wodurch das Schmieröl auf die ausgeführte Art und Weise in die Steuerkammern 34 und/oder 36 hinein oder hinaus fließen kann.

Aus diesem Fluss des Schmieröls resultiert eine Volumenvergrößerung bzw. eine Volumenverkleinerung der Steuerkammern 34 und 36, woraus wiederum eine

Relativbewegung des Kolbens 30 und damit der Schubstange 32 zu dem Steuerkolben 54 resultiert. Diese Relativbewegung geschieht solange, bis die Kanäle 40, 42 und 44 die entsprechenden Steuerkanten 48, 50 und 52 des Steuerkolbens 54 überfahren und wiederum verschlossen werden, wodurch der Fluss des Schmieröl gestoppt ist und der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 und damit wiederum das Hebelelement 16 eine vorgegebene Position einnehmen, wodurch ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine eingestellt ist.

Eine umgekehrte Betätigung des Steuerkolbens 54 erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Betätigungselement 66 und der Stift 64 kraftlos geschaltet werden, wodurch das Federelement 68 den Steuerkolben 54 in Richtung des Betätigungselements 66 drücken kann, woraufhin sich das Betätigungselement 66 und der Stift 64 von der Schubstange 32 wegbewegen. In diesem Falle geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei und die Schubstange 32 bewegt sich analog in die andere Richtung.

Hieraus wird deutlich, dass zur Einstellung des Hebelelements 16 und damit des

Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine lediglich eine Vorgabe einer Soll-Position des Steuerkolbens 54 über eine Vorgabe einer Soll-Position des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 geschehen muss und sich die Stelleinrichtung 24 dann selbstständig einstellt, bis der Fluss des Schmieröls unterbrochen ist. Eine zusätzliche Betätigung des Steuerkolbens 54 zum Beenden der Einstellung der Stelleinrichtung 24 ist nicht vonnöten. Des Weiteren bedeutet dies, dass etwaige Leckagen infolge von Verschleiß, wie er über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg vorkommen kann, quasi selbstständig durch die Stelleinrichtung 24 ausgeglichen wird. Es ist lediglich eine Anpassung der Vorgabe der Soll-Position des Steuerkolbens 54 bzw. des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 vonnöten. Diese Anpassung kann gegebenenfalls über einen einfachen Abgleich von vorgegebenen Soll-Werten mit mittels Erfassungseinrichtungen erfassten Ist-Werten erfolgen. Dies gewährleistet eine sehr präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auch über eine sehr hohe Lebensdauer der Hubkolbenmaschine hinweg und damit die Darstellung eines sehr effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs derselbigen.

Wie der Fig. 3 weiterhin zu entnehmen ist, sind das Betätigungselements 66 und der Steuerkolben 54 nicht fest miteinander verbunden sondern wirken über eine

bogenförmige Fläche 70 des Betätigungselements 66 zusammen. Der Mittelpunkt der bogenförmigen Fläche liegt dabei zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse der Stelleinrichtung 24, die mit der Mittelsymmetrieachse der Welle 62 zusammenfällt. Die bogenförmige Fläche 70 gewährleistet einen konstanten Hub und damit eine konstante Bewegung des Steuerkolbens 54 auch bei einer Bewegung bzw. bei einem Verschwenken der VerStelleinrichtung 24 um ihre Schwenkachse, wobei der Steuerkolben 54 diese Schwenkbewegung mit ausführt während das Betätigungselement 66 wie beschrieben drehfest ist. Zur Verbesserung der Kontaktbedingungen zwischen dem Steuerkolben 54 und der bogenförmigen Fläche 70 weist der Steuerkolben 54 einen abgerundeten Kopf auf, der an der bogenförmigen Fläche 70 anliegt und reibungsarm an ihr entlang gleiten kann.

Zur Darstellung der ausgeführten Relativbewegung des Zylinders 28 und damit des Steuerkolbens 54 zu dem Betätigungselement 66 weist der Zylinder 28 einen Schlitz 72 auf, in welchem das Betätigungselement 66 angeordnet ist.

Zur Darstellung einer einfachen und kostengünstigen Montage umfasst der Zylinder 28 drei Teile 74, 76 und 78, wobei der Teil 74 mit dem Teil 76 verbunden ist. Der Teil 78 ist ebenso mit dem Teil 76 verbunden und ist bereichsweise in dem Teil 76 aufgenommen und begrenzt einerseits den Arbeitsraum 26.

Die Fig. 6 zeigt die Versteileinrichtung 24 in fünf voneinander unterschiedlichen

Stellungen zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Drehstellungen des Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 und zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Hubkolbenmaschine. Gemäß Darstellung A befindet sich die VerStelleinrichtung 24 in der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten oberen Endstellungen, in welcher dass geringste Verdichtungsverhältnis vorliegt, welches beispielsweise ε = 7 beträgt.

Gemäß Darstellung B befindet sich im Vergleich zu Darstellung A in der Steuerkammer 34 eine größere Menge von Schmieröl, während sich in der Steuerkammer 36 eine geringer Menge von Schmieröl befindet. Dementsprechend hat sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 von der Welle 62 wegbewegt. Durch diese Bewegung verkleinert sich das Kompressionsvolumen im entsprechenden Zylinder der Hubkolbenmaschine, da die Schubstange 32 das Hebelelement 16 in eine andere Drehstellung relativ zu dem

Hubzapfen 14 drückt, wobei diese Drehbewegung über das Pleuel 18 in eine

translatorische Bewegung des Kolbens im Zylinder umgesetzt wird. Gemäß Darstellung C ist ein Verdichtungsverhältnis von ε = 9,5 eingestellt. Im Vergleich dazu beträgt das

Verdichtungsverhältnis bei der gemäß Darstellung D gezeigten Einstellung der

Versteileinrichtung 24 wieder etwas weniger, während das Verdichtungsverhältnis in der gemäß Darstellung E gezeigten Stellung der VerStelleinrichtung 24 ε = 14 beträgt. Es ist zu erkennen, dass nun besonders viel Schmieröl in der Steuerkammer 34 aufgenommen ist, während die Steuerkammer 36 nahezu kein Schmieröl mehr beinhaltet. Der Übersicht wegen sind in der Fig. 6 die übrigen Bezugszeichen weggelassen, wobei das zu der VerStelleinrichtung 24 gemäß den vorhergehenden Figuren Ausgeführte analog auf die Versteileinrichtung 24 gemäß Fig. 6 zutrifft.

Der Kurbeltrieb 10 der Hubkolbenmaschine ermöglicht es nun, dass die Hebelelemente 16 mittels der jeweils zugeordneten Stelleinrichtung 24 jeweils unabhängig voneinander zur Einstellung des jeweiligen, zu dem Hebelelement 16 korrespondierenden

Verdichtungsverhältnisses in jeweilige, voneinander unterschiedliche Drehstellungen relativ zu dem jeweils korrespondierenden Hubzapfen 14 eingestellt werden.

Dadurch ist es ermöglicht, Bedingungen in dem zu dem jeweiligen Hebelelement 16 korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine zu schaffen, die entweder zumindest nahezu optimal für einen befeuerten Betrieb des Zylinders sind, bei welchem Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird, oder die entsprechend zumindest nahezu optimal für einen nicht befeuerten Betrieb des entsprechenden Zylinders sind, bei welchem kein Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird und dieser in einem

Schubbetrieb betrieben wird. Dies begünstiget einen sehr effizienten und

kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine, da Kompromisse bezüglich der Einstellung der Hebelelemente 16, wie sie bei einer gleichzeitigen Verstellung aller Hebelelemente 16 vonnöten wären, nicht nötig sind, sondern die Hebelelemente 16 vielmehr voneinander völlig unabhängige und damit zylinderindividuell eingestellt werden können.

Wird bei der vorliegenden Hubkolbenmaschine beispielsweise in zwei zu zweien der Hebelelemente 16 korrespondierende Zylinder Kraftstoff eingebracht, während in zwei andere, zu den anderen Hebelelementen 16 korrespondierende Zylinder kein Kraftstoff eingebracht wird, so können die zu den Zylindern korrespondierenden Hebelelemente 16, in welche kein Kraftstoff eingebracht wird, derart eingestellt werden, dass ein geringes Verdichtungsverhältnis vorliegt, während die Hebelelemente 16, die zu den Zylindern korrespondieren, in welche Kraftstoff eingebracht und in welchen eine Verbrennung durchgeführt wird, derart eingestellt werden können, dass ein insbesondere relativ zu den Verdichtungsverhältnissen der anderen Zylinder hohes Verdichtungsverhältnis vorliegt.

Die Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses bei den Zylindern, in welche kein Kraftstoff eingebracht wird, die also in einem nicht befeuerten Betrieb betrieben werden, führt dazu, dass weniger Verdichtungsarbeit verrichtet werden nhuss, woraus eine geringere Reibung und damit geringere Verluste der Hubkolbenmaschine resultieren. Dies begünstigt den effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine. Durch die Einbringung von Kraftstoff in die anderen der Zylinder kann eine der Hubkolbenmaschine zugeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung auch während eines über eine relativ lange Zeitdauer vorliegenden Schubbetriebs der Hubkolbenmaschine auf Betriebstemperatur gehalten werden, wodurch eine Reinigung von Abgas der Hubkolbenmaschine in einem sich an den Schubbetrieb anschließenden, befeuerten Betrieb der Hubkolbenmaschine zumindest nahezu verzögerungsfrei möglich ist. Dies hält die Emissionen und insbesondere die Abgaswerte der Hubkolbenmaschine in einem sehr geringen Rahmen.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mindestens ein an einem Hubzapfen (14) einer Kurbelwelle (12) gelagertes und mit einem korrespondierenden Pleuel (18) verbundenes Hebelelement (16) mittels einer korrespondierenden Stelleinrichtung (24) zur Einstellung des

Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (14) eingestellt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest zwei an einem jeweiligen Hubzapfen (14) gelagerte und mit jeweils einem korrespondierenden Pleuel ( 8) verbundene Hebelelemente (16) mittels jeweils einer zugeordneten Stelleinrichtung (24) unabhängig voneinander zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in jeweilige, voneinander unterschiedliche

Drehstellungen relativ zu dem jeweils korrespondierenden Hubzapfen (14) eingestellt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

in einem Schubbetrieb und/oder in einem Leerlaufbetrieb der Hubkolbenmaschine durch Einstellen zumindest eines Hebelelements (16) das zu dem einen

Hebelelement (16) korrespondierende Verdichtungsverhältnis reduziert und durch Einstellen zumindest eines weiteren Hebelelements (16) das zu dem zumindest einen weiteren Hebelelement (16) korrespondierende Verdichtungsverhältnis erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in zumindest einen zu einem der Hebelelemente (16) korrespondierenden

Arbeitsraum, insbesondere Zylinder, der Hubkolbenmaschine Kraftstoff der Hubkolbenmaschine eingebracht, insbesondere eingespritzt, und eine

Kraftstoffzufuhr in zumindest einen weiteren zu einem weiteren der Hebelelemente (16) korrespondierenden Arbeitsraum, insbesondere Zylinder, der

Hubkolbenmaschine beendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

Kraftstoff in den Arbeitsraum, insbesondere Zylinder, eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird, welcher zu dem Hebelelement (16) korrespondiert, durch dessen Einstellung das korrespondierende Verdichtungsverhältnis erhöht wird,

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 4 in dessen Rückbezug auf

Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

zunächst in den zumindest einen zu dem einen der Hebelelemente (16)

korrespondierenden Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine Kraftstoff der

Hubkolbenmaschine eingebracht, insbesondere eingespritzt, und die

Kraftstoffzufuhr in den zumindest einen weiteren zu dem einen weiteren der Hebelelemente (16) korrespondierenden Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine beendet und nach einer vorgegebenen Zeitdauer, insbesondere in einem

Schubbetrieb und/oder einem Leerlaufbetrieb der Hubkolbenmaschine, die

Kraftstoffzufuhr in den zumindest einen zu dem einen der Hebelelemente (16) korrespondierenden Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine beendet und Kraftstoff in den zumindest einen weiteren zu dem einen weiteren der Hebelelemente (16) korrespondierenden Arbeitsraum eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das jeweilige Hebelelement (16) über eine Gewindespindel der Stelleinrichtung (24) und/oder durch eine hydraulische Betätigung der Stelleinrichtung (24) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das jeweilige Hebelelement (16) durch eine zumindest im Wesentlichen translatorische Bewegung der Stelleinrichtung (24) zwischen den zumindest zwei Drehstellungen eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das jeweilige Hebelelement (16) über einen in einem Arbeitsraum (26) eines Zylinders (28) axial relativ zu dem Zylinder (28) verschiebbar aufgenommenen und mit einer Stange (32) verbundenen Kolben (30) der Stelleinrichtung (24) eingestellt wird.