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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umschaltventil zum Steuern eines Fluidstroms und einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Umschaltventil.
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Obwohl auf beliebige Fahrzeuge anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf ein Personenkraftfahrzeug näher erläutert.
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Bei Verbrennungsmotoren wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein so genanntes ”Klopfen” des Verbrennungsmotors vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich des Verbrennungsmotors, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein ”Klopfen” auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich eines Verbrennungsmotors kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind verschiedene Systeme beschrieben.
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Die
DE 10 2005 055 199 beschreibt ein System, bei dem die Pleuellänge variabel einstellbar ist. Die Variation der Pleuellänge erfolgt durch eine Verdrehung eines exzentrischen Pleuelauges. Die Verdrehung des Pleuelauges wird durch Einwirken von Massen- und Gaskräften des Verbrennungsmotors initiiert, wobei die Drehbewegung durch mit Motoröl beaufschlagte Kolben im Pleuel unterstützt wird. Zur Regelung der Drehbewegung des exzentrischen Pleuelauges wird jeweils einer der Kolben mit Motoröl druckbeaufschlagt, während der andere Kolben drucklos geschaltet ist. Die Ansteuerung der Kolben erfolgt über ein 3/2-Wegeventil. Zur Umschaltung des 3/2-Wegeventils muss dieses mechanisch betätigt werden. Hierzu ist eine aufwändige Lösung aus Kulissenbahnen, Schalt- und Schiebestangen, die beispielsweise von außen elektromotorisch angesteuert werden, vorgesehen. Dies erfordert jedoch umfangreiche Änderungen am Verbrennungsmotor.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Umschaltventil zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile beseitigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Umschaltventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Demgemäß sind vorgesehen:
Ein Umschaltventil, insbesondere zum Steuern eines Fluidstroms, wobei das Umschaltventil wahlweise in eine erste und eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist, wodurch jeweils ein erster Arbeitsraum bzw. ein zweiter Arbeitsraum mit einem Volumen in Fluidverbindung bringbar ist.
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Ein Verbrennungsmotor, welcher ein einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit: einem derartigen Umschaltventil; und einer Pleuelstangenanordnung mit einer in einem Pleuellagerauge und/oder einem Hublagerauge angeordneten hydraulisch verstellbaren Exzentereinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei ein Verstellweg der Exzentereinrichtung mittels des Umschaltventils steuerbar ist.
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Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Umschaltventil vorzusehen, welches wahlweise in eine erste und eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist, wodurch jeweils ein erster Arbeitsraum bzw. ein zweiter Arbeitsraum mit einem Volumen in Fluidverbindung bringbar ist.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Umschaltventils bzw. des im Patentanspruch 7 angegebenen Verbrennungsmotors.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Umschaltventil eine Fluidnut zur Herstellung der Fluidverbindung des ersten bzw. zweiten Arbeitsraums mit dem Volumen auf. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache Herstellung des Umschaltventils und gleichzeitig ein einfaches Umschalten von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Verlagerung des Umschaltventils in die jeweilige Schaltstellung durch einen Betätigungsdruck bzw. Schaltdruck auf das Umschaltventil auslösbar, wodurch ein definiertes und kontrolliertes Verlagern möglich ist. Die Begriffe „Betätigungsdruck” und „Schaltdruck” sollen gleichbedeutend verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Betätigungsdruck durch einen Fluiddruck aufbringbar. Hierdurch ist das Verlagern des Umschaltventils in einfach kontrollierbarer Weise ausführbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zum Verlagern des Umschaltventils in die erste und die zweite Schaltstellung jeweils ein bestimmter Fluiddruck aufbringbar. Dies ermöglicht ein zuverlässiges und sicheres Umschalten von der ersten in die zweite Schaltstellung und umgekehrt, wodurch sich die Zuverlässigkeit des Umschaltventils erhöht, da das Umschalten von einem bestimmten vorbestimmbaren und steuerbaren Druckwert abhängt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Umschaltventil mittels einer mit dem Umschaltventil gekoppelten Federeinrichtung derart ausgebildet, dass ein Betätigen des Umschaltventils erst bei einem Betätigungsdruck oberhalb eines vorbestimmten Druck-Schwellenwertes erfolgt. Dies verhindert zuverlässig ein ungewolltes Schalten des Umschaltventils, wodurch dessen Zuverlässigkeit erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Umschaltventil in die Pleuelstangenanordnung, insbesondere in einen Bereich des Hublagerauges, integriert, wodurch das Umschaltventil nur geringen Bauraum einnimmt. Hierdurch wird der Einsatzbereich des Umschaltventils vorteilhaft erweitert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betätigungsdruck durch einen Motoröldruck aufbringbar, wobei der Verbrennungsmotor Mittel, beispielsweise eine regelbare Ölpumpe oder einen Druckspeicher oder eine Zusatzölpumpe, zum dauerhaften Erhöhen des Motoröldrucks aufweist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Integration des Umschaltventils in vorhandene Motorölsysteme, wodurch der Einsatzbereich des Umschaltventils erweitert wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
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Von den Figuren zeigt:
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1 Querschnittansichten einer Pleuel-Kolben-Anordnung mit einem Umschaltventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen;
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2 eine Detailansicht der Pleuel-Kolben-Anordnung in einem in 1 gezeigten Betriebszustand;
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3a/b eine Detailansicht eines Umschaltventils der Pleuel-Kolben-Anordnung aus 1 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4a/b ein Motorlast/Drehzahl-Schaltdiagramm und ein Öldruck/Drehzahl-Schaltdiagramm für das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5a/b eine Detailansicht eines Umschaltventils der Pleuel-Kolben-Anordnung aus 1 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Öldruck/Drehzahl-Schaltdiagramm für das Umschaltventil der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt für ein erfindungsgemäßes Umschaltventil eine Pleuel-Kolben-Anordnung 10 in zwei Betriebszuständen A und B, wobei in Betriebszustand B die Pleuel-Kolben-Anordnung 10 nur teilweise dargestellt ist, um den wesentlichen Unterschied zwischen Betriebszustand A und B zu verdeutlichen.
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Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist ein erfindungsgemäßes Umschaltventil hier zunächst weggelassen. Die Pleuel-Kolben-Anordnung 10 besteht aus einer Pleuelstange 20 mit einem Hublagerauge 30. Mit der Pleuelstange 20 ist ein Kolben 40 gekoppelt, welcher um eine Mittelpunktsachse 45 eines Pleuellagerauges 46 schwenkbar ist, allerdings in exzentrischer Weise, da eine Mittelpunktsachse 50 einer Kolbenbolzenbohrung 60 des Kolbens 40 von der Mittelpunktsachse 45 des Pleuellagerauges 46 beabstandet ist. Durch eine Exzentereinrichtung 65 mit einem Exzenterkörper 70 und an dem Exzenterkörper 70 angelenkten Exzenterstangen 80 und 90 kann eine Position des Kolbens 40 relativ zum Pleuel 20 verändert werden, um so nach Bedarf eine höhere oder niedrigere Verdichtung zu erzeugen.
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Die Funktionsweise der Exzenterstangen 80, 90 wird weiter unten mit Bezug auf 2 erläutert. Jedoch ist in 1 zu erkennen, dass abhängig von einer Position der Exzenterstangen 80, 90 im mit A bezeichneten Betriebszustand der Kolben 40 relativ zum Pleuel 20 weiter absteht, und somit eine Verdichtung maximal ist, und im mit B bezeichneten Betriebszustand der Kolben 40 relativ zum Pleuel 20 näher ist, und somit eine Verdichtung minimal ist.
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In 2 ist die Pleuelstange 20 im Querschnitt dargestellt, wobei wiederum das Hublagerauge 30, das Pleuellagerauge 46 mit seiner Mittelpunktsachse 45, der Exzenterkörper 70 und die daran angelenkten Exzenterstangen 80 und 90 zu erkennen sind. Die Exzenterstangen 80, 90 sind mit Kolben 81 bzw. 91 in einem ersten Arbeitsraum 82 bzw. in einem zweiten Arbeitsraum 92 führbar. Die Arbeitsräume 82, 92 können über Hydraulikleitungen 85, 95 mit einem Fluid, beispielsweise Motoröl, wechselweise befüllt werden, so dass, wenn einer der Arbeitsräume 82, 92 mit Fluid beaufschlagt wird, der darin befindliche Kolben 81 bzw. 91 entsprechend verlagert wird, und somit Exzenterstange 80 bzw. 90 den Exzenterkörper 70 verschwenkt, was eine Änderung der Kolbenposition relativ zum Pleuel und somit eine geänderte Verdichtung zur Folge hat.
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Im in 2 dargestellten Beispiel ist Arbeitsraum 92 mit Fluid beaufschlagt, während Arbeitsraum 82 leer ist.
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Der in 2 gezeigte Zustand entspricht dem Zustand B in 1, da eine effektive Länge leff zwischen einer Mittelpunktsachse 100 des Hublagerauges 30 und der Mittelpunktsachse 50 der (hier nicht dargestellten) Kolbenbolzenbohrung minimal ist.
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Damit ein wechselweises Befüllen der Arbeitsräume 82 bzw. 92 erfolgen kann, ist ein Umschaltventil 110 vorgesehen, welches in 2 nur schematisch dargestellt ist, und detailliert mit Bezug auf 3 erläutert werden soll.
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Prinzipiell sorgt das Umschaltventil 110 dafür, dass der erste Arbeitsraum 81 über eine Fluidleitung 86 bzw. der zweite Arbeitsraum 92 über eine Fluidleitung 96 wechselweise mit einem Volumen 120, welches beispielsweise dem Motorinnenraum (d. h. Kurbelwellengehäuse) und/oder dem Hublager des Hublagerauges 30 entspricht, in Fluidverbindung gebracht wird. Das heißt, das Umschaltventil 110 kann, wie in 2 dargestellt ist, die Fluidleitung 96 sperren, so dass der Arbeitsraum 92 mit Fluid über die Fluidleitung 95 befüllbar ist. Gleichzeitig ist die Fluidleitung 86 des Arbeitsraumes 82 über das Umschaltventil 110 geöffnet, so dass über die Fluidleitung 85 in den Arbeitsraum 82 strömendes Fluid wieder über eine hier nicht dargestellte Entlüftungsbohrung in das Volumen 120 entweichen kann, wobei das Volumen 120 der Motorinnenraum oder das Hublager oder beides sein kann. Somit kann sich im ersten Arbeitsraum 82 kein Druck aufbauen, um die Exzenterstange 80 zu verschieben. Da eine entsprechende Entlüftungsbohrung für den zweiten Arbeitsraum 92 durch das Umschaltventil 110 gesperrt ist, kann das über Fluidleitung 95 hineinströmende Fluid nicht entweichen, und es baut sich ein Druck im zweiten Arbeitsraum 92 auf, welcher die Exzenterstange 90 verschieben lässt, und somit den Exzenterkörper 70 mit dem daran gekoppelten (hier nicht dargestellten) Kolben verschwenkt.
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Durch einen in 2 dargestellten Pfeil I wird angedeutet, dass auf das Umschaltventil ein Betätigungsdruck erfolgen muss, damit das Umschaltventil 110 sich von einer Schaltstellung in eine nächste verlagert, um so entsprechend eine Fluidverbindung der Arbeitsräume 82, 92 mit dem Volumen 120 herzustellen oder nicht. Ist das Umschaltventil in eine Schaltstellung verlagert, muss der entsprechende Druck dauerhaft anliegen, um das Umschaltventil in dieser Schaltstellung zu halten.
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3a und 3b zeigen jeweils eine Detailansicht des Umschaltventils 110 aus 2 in einer ersten Schaltstellung (3a) und in einer zweiten Schaltstellung (3b). Dabei sei angemerkt, dass der besseren Darstellbarkeit wegen das in 3a und 3b gezeigte Umschaltventil 110 um 90° gegenüber der Darstellung des in 2 schematisch gezeigten Umschaltventils 110 gedreht ist.
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Die folgende Beschreibung bezieht sich sowohl auf 3a als auch auf 3b:
Das Umschaltventil 110 sitzt in einem Ventilblock 130 des in 2 gezeigten Pleuels 20, und ist in einer Ventilbohrung 140 nach rechts und links, bezogen auf die 3a bzw. 3b, verlagerbar.
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Weiterhin umfasst das Umschaltventil 110 einen Steuerkolben 190. An einem Ende des Steuerkolbens 190 befindet sich eine Federeinrichtung 200 in einer Ausnehmung 201, wobei die Federeinrichtung 200 mit dem Steuerkolben 190 gekoppelt ist und diesen nach rechts (bezogen auf die 3a und 3b) vorspannt. Rings um den Steuerkolben 190 läuft eine Fluidnut 210, welche je nach Schaltstellung des Umschaltventils 110 mit Fluidleitungen 96, 96' bzw. 86, 86' in Fluidverbindung gebracht werden kann. Hierbei sind die Fluidleitungen 86, 96 die in 2 gezeigten Fluidleitungen 86, 96, und die Fluidleitungen 86' und 96' sind die oben bereits erwähnten aber bisher nicht dargestellten Entlüftungsbohrungen zum Motorinnenraum hin. Das in 3b dargestellte Beispiel zeigt somit den in 2 gezeigten Zustand, wo der erste Arbeitsraum 82 mit Fluidleitung 86 durch das Umschaltventil 110 in Fluidverbindung mit dem Motorinnenraum bzw. Volumen 120 steht, und zwar über Entlüftungsbohrung bzw. Fluidleitung 86'. In dieser Schaltstellung des Umschaltventils 110 ist die Fluidleitung 96 durch den Steuerkolben 190 entsprechend gesperrt, der zweite Arbeitsraum 92 in 2 ist nicht in Fluidverbindung mit dem Volumen 120 und kann deshalb mit Fluid unter Druck gesetzt werden, während der erste Arbeitsraum 82 (siehe 2) drucklos geschaltet ist.
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Wie in 3a und 3b jeweils mit einem mit I bezeichneten Pfeil angedeutet (siehe auch 2), wird durch einen Betätigungsdruck I entlang einer Fluidleitung 97 zum Verlagern des Umschaltventils 110 in eine Schaltstellung ein Druck auf das Umschaltventil 110 ausgeübt, wobei der Druck über einen Öldruck des Verbrennungsmotors gesteuert wird. Denkbar sind aber auch zusätzliche Druckerzeugungseinrichtungen.
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In 3b wirkt der Betätigungsdruck I gegen eine Kraft der Federeinrichtung 200, so dass ausgehend von der Stellung des Umschaltventils 110 in 3b das Umschaltventil 110 in die in 3a gezeigte Stellung verlagert wird. Für den umgekehrten Fall, d. h. von der Stellung in 3a in die Stellung in 3b, muss der Betätigungsdruck I entsprechend kleiner als die Kraft der Federeinrichtung 200 sein. In 3a ist eine Schaltstellung 1 mit ε = low gezeigt, während in 3b eine Schaltstellung 2 mit ε = high gezeigt ist.
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Als Erläuterung dazu sollen ergänzend die 4a und 4b dienen.
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4a zeigt beispielhaft ein Motorlast/Drehzahl-Diagramm, in dem Kennfeldbereiche für Verdichtungsverhältnisse ε für geringe Verdichtung (ε = low) und hohe Verdichtung (ε = high) aufgetragen sind. Das Verdichtungsverhältnis ε ergibt sich aus dem Quotienten aus (Hubraum + Verdichtungsraum) und Verdichtungsraum. Eine Kurve a mit durchgezogener Linie stellt die maximale Schwelle für die Motorlast in Abhängigkeit von der Drehzahl dar. Eine Kurve pme1 mit gestrichelter Linie bezeichnet eine effektive mittlere Motorlast, die sich aus dem im Motorinnenraum herrschenden effektiven Mitteldruck multipliziert mit dem Hubraum des Motors ergibt. Unterhalb der Kurve pme1 befindet sich ein Kennfeld mit ε = high, wobei sich eine hohe Verdichtung (ε = high) in einem Drehzahlbereich von etwa 1000 Umdrehungen/min bis zu einer Drehzahlschwelle n2 bei etwas weniger als 4000 Umdrehungen/min, also im Teillastbereich, bei „normalen” Öldruckverläufen automatisch ergibt. Auch wird, mit Bezug auf 4b, bei geeigneter Wahl einer Schaltdruckschwelle p2 die Verdichtung durch den „normalen” Öldruck für Drehzahlen n größer als eine Drehzahlschwelle n1 selbständig auf ε = low gesteuert. Um im oberen Kennfeldbereich die Verdichtung abzusenken, wird das Öldruckniveau des Motors dauerhaft auf einen Druck p größer als ein Schaltdruck pschalt angehoben (siehe 4b). Bezogen auf 3a gilt somit p ≥ p2, und bezogen auf 3b gilt p < p1.
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Weiterhin mit Bezug auf 4a kann für den Drehzahlbereich ab n2 jedoch alternativ zu oben – abhängig von der Motorlast – entweder in ein Kennfeld mit niedriger Verdichtung (ε = low) oder in ein Kennfeld mit hoher Verdichtung (ε = high) geschaltet werden, wobei die beiden Kennfelder in 4a durch eine vorgebbare Motorlast-Umschaltschwelle M voneinander getrennt sind.
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Das in 5a und 5b in jeweils unterschiedlichen Stellungen gezeigte Umschaltventil 110 entspricht im Wesentlichen dem in 3a und 3b gezeigten Umschaltventil 110, jedoch mit dem Unterschied, dass die Fluidleitungen 86, 86' und 96, 96' mit Bezug auf 3a und 3b vertauscht sind. In diesem Fall entspricht die in 5a gezeigte Schaltstellung 1 einer hohen Verdichtung (ε = high), und die in 5b gezeigte Schaltstellung 2 entspricht einer niedrigen Verdichtung (ε = low). Für diese Ausführung wäre die Verdichtung bei einem Öldruckverlauf entsprechend 6 immer „low”. Um im Teillastbereich die Verdichtung anzuheben, müsste das Öldruckniveau dauerhaft auf einen Druck p größer als der Schaltdruck p2 angehoben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Pleuel-Kolben-Anordnung
- 20
- Pleuel
- 30
- Hublagerauge
- 40
- Kolben
- 45
- Mittelpunktsachse Pleuellagerauge
- 46
- Pleuellagerauge
- 50
- Mittelpunktsachse Kolbenbolzenbohrung
- 60
- Kolbenbolzenbohrung
- 65
- Exzentereinrichtung
- 70
- Exzenterkörper
- 80
- Exzenterstange
- 81
- Kolben
- 82
- erster Arbeitsraum
- 85
- Fluidleitung
- 86
- Fluidleitung
- 86'
- Entlüftungsbohrung
- 90
- Exzenterstange
- 91
- Kolben
- 92
- zweiter Arbeitsraum
- 95
- Fluidleitung
- 96
- Fluidleitung
- 96'
- Entlüftungsbohrung
- 97
- Fluidleitung
- 100
- Mittelpunktsachse Hublagerauge
- 110
- Umschaltventil
- 120
- Volumen/Motorinnenraum
- 130
- Ventilblock
- 140
- Ventilbohrung
- 190
- Steuerkolben
- 200
- Federeinrichtung
- 201
- Ausnehmung für Federeinrichtung
- 210
- Fluidnut
- Ip1
- Betätigungsdruck
- Ip2
- Betätigungsdruck
- a, b, c
- Kurven
- M
- Motorlast-Umschaltschwelle
- n2
- Drehzahlschwelle
- pmotor
- Druckniveau
- pschaft
- Druckniveau
- pmax
- Druckniveau
- p1, p2
- Druckwerte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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