DE102015202051A1

DE102015202051A1 - Umschaltventil

Info

Publication number: DE102015202051A1
Application number: DE102015202051.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Möller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Ein Umschaltventil (27) zum Steuern eines Hydraulikstromes für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, weist eine federbelastete Steuereinheit (37) auf, die in einer ersten Schaltstellung einen ersten Hydraulikanschluss (32) und in einer zweiten Schaltstellung einen zweiten Hydraulikanschluss (31) freigibt. Weiterhin ist eine Arretiermechanik (52) vorgesehen, die über einen dritten Hydraulikanschluss (33) betätigbar ist und über die die erste Schaltstellung verriegelbar ist. Erfindungsgemäß ist das Umschaltventil (27) als 3/2-Wegeventil ausgebildet, und die Steuereinheit (37) besteht aus einem Steuerschieber (38) und einem Innenbolzen (49). Beim Anlegen eines ersten Hydraulikdruckes (p1) über den dritten Hydraulikanschluss (33) werden der Steuerschieber (38) und der Innenbolzen (49) in der ersten Schaltstellung miteinander verriegelt. Dadurch wird der zweite Hydraulikanschluss (31) freigeschaltet. Beim Anlegen eines zweiten Hydraulikdruckes (p2) über den dritten Hydraulikanschluss (33) werden der Steuerschieber (38) und der Innenbolzen (49) entkoppelt und beim Absenken des zweiten Hydraulikdruckes (p2) unter dem Wert des ersten Hydraulikdruckes (p1) wird der Innenbolzen (49) in seiner ersten verriegelten Schaltstellung und der Steuerschieber (38) in seine Montagegrundstellung zurückgefahren, so dass der erste Hydraulikanschluss (32) freigeschaltet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil, insbesondere zum Steuern eines Hydraulikstromes für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, das eine federbelastete Steuereinheit aufweist, die in einer ersten Schaltstellung einen ersten Hydraulikanschluss und in einer zweiten Schaltstellung einen zweiten Hydraulikanschluss freigibt, und mit einer Arretiermechanik, die über einen dritten Hydraulikanschluss betätigbar ist und über die die erste Schaltstellung verriegelbar ist.
Stand der Technik
Mit dem Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ε ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert werden, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. Allerdings ist zu berücksichtigen, bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.
Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, die eine Verstellung des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen vornehmen. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Vorrichtungen, nämlich um solche, mit denen die Lage des Kolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, oder um solche, die eine Lageänderung des Pleuels gegenüber der Kurbelwelle vornehmen. Bei erstgenannten Vorrichtungen steht das Pleuel über einen am Pleuelauge vorgesehenen verstellbaren Exzenter, in welchem ein Kolbenbolzenlager und ein Kolbenbolzen angeordnet sind, mit dem Kolben in Verbindung. Bei den weiterhin genannten Vorrichtungen ist ein verstellbarer Exzenter kurbelwellenseitig also am Pleuellagerauge vorgesehen, wobei dann dieser Exzenter das Pleuellager umgibt.
Der entsprechende Exzenter wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist insbesondere für eine am Kolbenbolzenlager vorgesehene Vorrichtung zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
Ein Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikstromes für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Arretiermechanik der im Oberbegriff beschriebenen Gattung ist aus der DE 10 2010 016 037 A1 bekannt. Als Arretiermechanik wird hier eine Kugelschreibermechanik beschrieben, welches das Umschaltventil jeweils in einer ersten oder zweiten Schaltstellung hält. Zum Umschalten zwischen den beiden Schaltstellungen wird jeweils ein Druckimpuls mit gleicher Druckhöhe verwendet, der von der Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktion und die Ausbildung des Umschaltventils zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Danach soll das Umschaltventil als 3/2-Wegeventil ausgebildet sein, wobei seine Steuereinheit aus einem Steuerschieber und einem Innenbolzen besteht, die durch Anlegen eines ersten Hydraulikdruckes über den dritten Hydraulikanschluss in der ersten Schaltstellung miteinander verriegelt sind und dadurch den zweite Hydraulikanschluss freigeben, und die bei Anlegen eines zweiten Hydraulikdruckes über den dritten Hydraulikanschluss entkoppelt sind und wobei beim Absenken des zweiten Hydraulikdruckes unter dem Wert des ersten Hydraulikdruckes der Innenbolzen in seiner ersten verriegelten Schaltstellung und der Steuerschieber in seine Grundstellung zurückkehrt, so dass der erste Hydraulikanschluss freigeschaltet ist.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Umschaltventil in einem Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem eingangs zitierten Stand der Technik eingebaut, um den Hydraulikölabfluss aus den jeweiligen Druckräumen der zwei Stützzylinder zu steuern. In jedem Stützzylinder ist jeweils ein Stellkolben angeordnet. Sie dienen zur Betätigung einer Exzentereinrichtung zum Verstellen des Kolbenbolzens und somit zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses des entsprechenden Zylinders.
Hierzu weist das Umschaltventil eine vom dritten Hydraulikanschluss ausgehende hydraulische Betätigung auf, die bevorzugt mit dem jeweiligen Druck der zu den Druckräumen der Stellzylinder führenden Ölzulaufleitung erfolgt, die über ein Pleuellager mit dem Schmieröl aus einer Ölgalerie versorgt wird.
Dabei wird der Druck in dem dritten Hydraulikanschluss, beispielsweise durch eine als Verstellpumpe ausgebildete Ölpumpe, moduliert. Dadurch wird erreicht, dass sich zuerst der Innenbolzen des Umschaltventils aus seiner Ruheposition bewegt, während der Steuerschieber noch in der Grundstellung verharrt, in welchen jeweils einer der Druckräume druckentlastet wird, so dass sich der betreffende Stellkolben in seine eingefahrene Stellung bewegen kann. Durch eine erste Druckerhöhung über das übliche Druckniveau im Ölkreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine wird der Steuerschieber mit dem Innenbolzen in einer ersten Schaltstellung mechanisch arretiert. In dieser Schaltstellung ist der andere Druckraum druckentlastet, so dass der betreffende Stellkolben sich in seine eingefahrene Stellung bewegt.
Um die Arretiermechanik zu lösen und den Steuerschieber wieder vom Innenbolzen zu entkoppeln, damit der Steuerschieber wieder in eine Stellung zurückkehren kann, die als Grundstellung angesehen werden kann, wird ein wesentlich höherer zweiter Hydraulikdruck benötigt als zum Verriegel durch die Arretiermechanik.
Damit kann bei einer Fehlschaltung der einzelnen Umschaltventile nachträglich wieder ein gleiches Verdichtungsverhältnis in jedem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine erreicht werden. Damit wird eine einfach aufgebaute Sicherung gegen Fehlfunktionen des Umschaltventils erreicht.
Bevorzugt wird die Entleerung der Druckräume der Stützzylinder in den dritten Hydraulikkanal vorgesehen. Der Vorteil liegt darin, dass die Ölpumpe mit geringerer Leistung ausgeführt werden kann und der Schmieröldruck im Pleuellager durch das Abströmen des Schmieröls in die Ölwanne nicht auf ungünstige Werte verringert wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Entleerung der Druckräume in den Ölsumpf der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorzunehmen. Dann muss allerdings eine stärkere Ölpumpe vorgesehen werden.
Demgegenüber ist die in der DE 10 2010 016 037 A1 beschriebene Arretiermechanik kompliziert im Aufbau damit teuer in ihrer Fertigung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der zweite Hydraulikdruck über dem ersten Hydraulikdruck liegen. Damit wird eine erhöhte Sicherheit beim Umschalten des Umschaltventils erzielt. Eine Reduzierung des Hydraulikdruckes, der von der Ölgalerie der Hubkolbenbrennkraftmaschine abgegriffen wird, ist damit nicht notwendig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Innenbolzen koaxial im Steuerschieber angeordnet und gegen die Kraft eines ersten Federelementes verschiebbar, der Steuerschieber gegen Kraft eines zweiten Federelementes und die Arretiermechanik in den Innenbolzen integriert. Dadurch wird ein kompaktes Umschaltventil geschaffen, das einfach zu fertigen und zu montieren ist. Es lässt sich gut in ein Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine integrieren. Vereinfacht wird die Integration des Umschaltventils in einem Pleuel, wenn dessen Gehäuse mit Nuten und Radialdichtungen versehen wird, um die Hydraulikleitungen im Pleuel mit den Hydraulikanschlüssen des Umschaltventils zu verbinden.
Weiter wird eine kleinbauende Ausführung des Umschaltventils dadurch erreicht, wenn der Steuerschieber topfförmig mit einer zweiten Innenwand ausgebildet wird. Im Abstand zwischen den beiden Wänden ist dann Platz für das zweite Federelement. Montiert werden kann alles in einem topfförmigen Gehäuse, das von einer Bodenplatte verschlossen wird. Diese Bodenplatte weist Durchtrittsöffnungen auf und ist radial in dem Gehäuse des Umschaltventils oder unmittelbar in die Aufnahmebohrung des Pleuels eingepasst. Dabei ist sie über einen Seegering oder Sprengring fixiert. Dann ist es besonders einfach möglich, die Hydraulikleitungen innerhalb des Umschaltventils als Ringnut und Längskanäle auszuführen.
Die Arretiermechanik wird bevorzugt aus zwei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Innenbolzens verfahrbare Arretierungsbolzen gebildet, die von einem dritten Federelement aus dem Innenbolzen herausgedrückt werden. Die Arretierungsbolzen können zylinderförmig und hohl ausgebildet sein, um jeweils einen Teil des dritten Federelementes aufzunehmen. Dadurch wird die Arretiermechanik sehr kleinbauend. Die Arretierungsbolzen sind bevorzugt an ihren Außenkanten gerundet. Alternativ können die Arretierungsbolzen auch massiv oder als Nadeln ausgeführt sein.
Anstelle von Arretierungsbolzen können auch Kugeln verwendet werden.
Die Federkennlinien der drei verwendeten Federelemente sind zur optimalen Funktionsweise der Arretiermechanik aufeinander abgestimmt und zwar verläuft die Federkennlinie des dritten Federelementes am steilsten, d.h. das Federelement ist hart ausgelegt, die des zweiten Federelementes weist gegenüber dem dritten Federelement eine geringere Steigung auf und das erste Federelement ist weich ausgelegt. Damit wird ein Lösen der Arretiermechanik erst bei einem hohen Hydraulikdruck erreicht.
Um die Arretiermechanik einfach einrasten zu lassen, weist ein Arretierungsführungsrohr zwei gegenüberliegende, fluchtende Öffnungen auf, durch die die Arretierungsbolzen hindurchtreten können. Damit dies immer möglich ist, ist der Innenbolzen gegen Verdrehen gesichert. Hierzu weist das Arretierungsführungsrohr beispielsweise einen Längsschlitz auf und der Innenbolzen eine korrespondierende Längsnut. In diese Nut und diesen Längsschlitz greift ein entsprechender länglicher Bolzen als Verdrehsicherung ein.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, auf dem inneren Umfang des Steuerschiebers zwei fluchtende Vertiefungen vorzusehen, in denen die Arretierungsbolzen einrasten können, wenn der Steuerschieber mit dem Innenbolzen in seiner ersten Schaltstellung verriegelt wird.
Bevorzugt wird der Steuerschieber in einem topfförmigen Gehäuse angeordnet. Damit kann der Steuerschieber mit dem Innenbolzen, der Arretiermechanik sowie dem Arretierungsführungsrohr vormontiert und dann nur noch in eine entsprechende Öffnung in dem Pleuel eingesetzt werden.
Anstelle des topförmigen Gehäuses ist es auch denkbar, eine Stufenbohrung im Pleuel vorzusehen und ein dünnwandiges Rohr mit zwei Blendenbohrungen für den ersten und zweiten Hydraulikanschluss in der Stufenbohrung gerichtet einzupressen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass ein kleineres Bohrloch im Pleuel angebracht werden muss. Damit gehen eine geringere Deformation des Bohrloches im Pleuel bei Belastung, ein besserer Kraft-Spannungsverlauf und der Entfall von Dichtungsringen am Umfang des topfförmigen Gehäuses einher.
Durch die Ausgestaltung des Steuerschiebers, der auf seinem Umfang zwei Ringnuten und eine Längsnut trägt, über die der erste und zweite Hydraulikanschluss mit dem dritten Hydraulikanschluss verbindbar ist, wird die Kompaktheit des Umschaltventils weiter gesteigert. Zudem kann damit verhindert werden, dass die Druckverluste im Pleuellager hoch ansteigen.
Eine bevorzugte Einbindung des erfindungsgemäßen Umschaltventils in ein Steuersystem zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine weist zur Betätigung zweier mit einem Verstellelement zusammenwirkenden Stellkolben auf, wobei das Verstellelement durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich die in Stützzylindern geführten einfachwirkenden Stellkolben, die gemeinsam mit den Stützzylindern jeweils einen Druckraum bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, wobei die Druckräume jeweils über eine Ölzulaufleitung, in welcher je ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit einer Ölversorgung verbunden sind, wobei von den beiden Druckräumen ausgehende Ölrücklaufleitungen mit dem Umschaltventil eingangsseitig verbunden sind, über welches die Ölrücklaufleitungen wahlweise druckentlastbar sind.
Allgemein wird durch die Erfindung ein Umschaltventil geschaffen, mit dem auf einfache Art und Weise eine Fail-Safe-Funktion (sicheres Lösen der Arretierung) erreicht wird, ohne dass der notwendige Schaltdruck abgesenkt werden muss. Das erfindungsgemäße Umschaltventil kann auch bei anderen Flip-Flop-Schaltventilen zum Einsatz kommen, bei denen eine Fail-Safe-Funktion notwendig ist und die nicht notwendigerweise in einem Pleuel zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eingebaut werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit dem von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist,
2a, b einen Längsschnitt durch das Umschaltventil,
3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Umschaltventils nach 2a, b,
4 alternative Ausführungsformen der Arretierungsbolzen.
5 einen Hydraulikplan für das erfindungsgemäße Umschaltventil,
6–13 einzelnen Schaltstellungen des Umschaltventils in Abhängigkeit des herrschenden Hydraulikdruckes,
14 ein Federdiagramm der in dem erfindungsgemäßen Umschaltventil verwendeten Federn,
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 2 und einem Pleuelunterteil 3 besteht. Das Pleueloberteil 2 und das Pleuelunterteil 3 bilden gemeinsam ein großes Pleuellagerauge 4, über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 2 mit einem kleinen Pleuelauge 5 versehen, in welchem über ein als Exzenter 6 ausgebildetes Verstellelement 7 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 8 angeordnet ist. Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 8 ist ein Arbeitskolben 9 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 7 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
Der Exzenter 6 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen 8 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Gaskräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 6 weist diametral verlaufende Laschen 10 und 11 auf, die jeweils über Kolbenstangen 12 und 13 mit einfachwirkenden Stellkolben 14 und 15 verbunden sind. Die Stellkolben 14 und 15 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 6 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenters 6 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 6 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
Die Stellkolben 14 und 15 sind in Stützzylindern 16 und 17 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 18 und 19, in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 4 angeordneten Pleuellager 20 über Ölzulaufleitungen 21 und 22 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 18 und 19 eine Ölrücklaufleitung 23 bzw. 24 aus, die, wie aus der 1 hervorgeht, beide in eine Aufnahmebohrung 25 für ein im Zusammenhang mit den weiteren Figuren beschriebenes Umschaltventil einmünden. Von dem Pleuellager 20 führt außerdem eine Steuerleitung 26, deren Funktion ebenfalls nachfolgend noch erläutert wird, zu der Aufnahmebohrung 25.
Ein entsprechendes Umschaltventil 27 ist in der 2a, b im Längsschnitt dargestellt. Das Umschaltventil 27 weist ein Gehäuse 28 auf, das topfförmig ausgebildet ist, d.h., das Gehäuse 28 weist einen hohlzylindrischen Wandabschnitt 29 und einen kreisförmigen Kopf 30 auf. Weiterhin sind am Wandabschnitt 29 Hydraulikanschlüsse 31, 32 und 33 vorgesehen, die den Wandabschnitt 29 durchdringen. Hierbei ist an dem Hydraulikanschluss 31 der Druckraum 18 über die Ölrücklaufleitung 23, an dem Hydraulikanschluss 32 der Druckraum 19 über die Ölrücklaufleitung 24 und an dem Hydraulikanschluss 33 die Steuerleitung 26 angeschlossen.
Ferner weist das Gehäuse 28 auf seinem Außenumfang Rippen 34 auf, zwischen denen Nuten 35 gebildet sind. Wenn von der Nut 35 keine Hydraulikanschlüsse abgehen, sind in den freien Nuten 35 Radialdichtringe 36 angeordnet.
In dem Gehäuse 28 ist eine Steuereinheit 37 angeordnet. Sie besteht aus einem doppelwandigen kreiszylindrischen Steuerschieber 38, der auf seiner Außenwand 38.1 zwei Ringnuten 39 und 40 aufweist, die – wie weiter unten ausführlich erläutert wird – in seiner Grundstellung mit dem Hydraulikanschluss 32 und in seiner erste Schaltstellung mit dem Hydraulikanschluss 31 fluchten. Verbunden werden die Ringnuten 39 und 40 mit dem Hydraulikanschluss 33 über einen Längsnut 41.
Der Steuerschieber 38 weist auf seinem dem Kopf 30 benachbarten Innenwand 38.2 eine umlaufende, nutartige Vertiefung 38.3 auf, deren Funktion noch weiter unten beschrieben wird.
Im Wandzwischenraum 42 befindet sich das zweite Federelement 43, das sich an einer Bodenplatte 44 abstützt, die das Gehäuse 28 verschließt. Gehalten wird die Bodenplatte von einem Sprengring 45.
Innerhalb des Steuerschiebers 28 ist ein starres Arretierungsführungsrohr 46 koaxial zum Steuerschieber zwischen dem Kopf 30 und der Bodenplatte 44 angeordnet. Sein Außenumfang dient dem Steuerschieber 38 als Führungsfläche.
Das Arretierungsführungsrohr 46 weist an seinem dem Kopf 30 zugewandten Ende Öldurchtrittsöffnungen 47 auf. Weiterhin sind auf seinem Umfang zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 48 vorgesehen, deren Funktion weiter unten beschrieben werden wird.
Innerhalb des Arretierungsführungsrohres 46 ist auf dessen Innenumfang ein Innenbolzen 49 verschiebbar angeordnet, der gegen die Kraft des ersten Federelementes 50 verschiebbar ist. Die Kraftrichtung des ersten Federelements 50 verläuft parallel zur Kraftrichtung des zweiten Federelementes 43.
Zur Aufnahme des ersten Federelementes 50 weist der Innenbolzen 49 eine napfförmige Vertiefung 51 auf. Sein freies Ende stützt sich ebenfalls an der Bodenplatte 44 ab.
Der Innenbolzen 49 beinhaltet die Arretiermechanik 52, die in diesem Beispiel aus zwei zylindrischen Arretierungsbolzen 53 besteht, die von dem dritten Federelement 54 senkrecht zur Verschieberichtung des Innenbolzens 49 gegen die Innenwand des Arretierungsführungsrohres 46 gedrückt werden. Die Arretierungsbolzen 53 sind in einer Durchgangsbohrung 55 im Innenbolzen angeordnet. Sie sind an ihren Außenseiten 55 gerundet. Im Inneren weisen sie einen Hohlraum 56 auf, der das dritte Federelement aufnimmt.
Die Bodenplatte 44 sowie der Innenbolzen 49 weisen jeweils Entlüftungsbohrungen 58 bzw. Entlüftungsöffnungen 59 auf.
In 2b ist ein Längsschnitt durch das Umschaltventil 27 – um 90° gedreht zu dem in 2a – gezeigt.
Hier sieht man einen Sicherungsbolzen 60, der in einem Längsschlitz 61 und einer Längsnut 62 gehalten ist. Der Längsschlitz 61 befindet sich in dem Arretierungsführungsrohr 46, während der Längsnut 62 am Außenumfang des Innenbolzens 49 angeordnet ist. Damit wird ein Verdrehen des Innenbolzens 49 in dem Arretierungsführungsrohr 46 vermieden.
Die perspektivische Ansicht im Längsschnitt in 3 zeigt den Aufbau des Umschaltventils nach 2a nochmals. Hier ist der besseren Übersichtlichkeit die Arretiermechanik 52 entfallen, ebenso der Sicherungsbolzen 60.
In 4 sind alternative Ausführungen des Arretierbolzens 53 dargestellt. Anstelle eines hohlzylindrischen Arretierbolzens 53 (2a) kann auch ein massiver Arretierbolzen 53.1 verwendet werden. Auch sind anstelle zylindrischer Arretierbolzen Arretierkugeln 67 möglich.
Aus dem Hydraulikplan der 5 geht die hydraulische Einbindung des durch ein hydraulisches Schaltsymbol als 3/2-Wegeventil dargestellten Umschaltventils 27 mit den Ölrücklaufleitungen 23 und 24 sowie der Steuerleitung 26 hervor. Eine in ihrem Fördervolumen verstellbare Hydraulikpumpe 63 fördert danach das als Hydraulikflüssigkeit dienende Schmieröl über eine Ölgalerie 64 in das Pleuellager 20, das in der schematischen Darstellung als deren Verbindung mit den beiden Ölzulaufleitungen 21 und 22 dargestellt ist.
In jeder der Ölzulaufleitungen 21 und 22 ist ein Rückschlagventil 65 bzw. 66 angeordnet, so dass das Ölvolumen, das sich in den Druckräumen 18 und 19 der beiden Stützzylinder 16 und 17 befindet, aus diesen nur über die jeweilige Ölrücklaufleitung 23 oder 24, die über das Umschaltventil 27 gesteuert werden, austreten kann. Wie weiterhin aus der 4 hervorgeht, ist das Umschaltventil 27 hydraulisch über den Druck der Ölgalerie 64 bzw. der Ölzulaufleitungen 21 und 22 betätigt. Wie bereits dargelegt, soll die Steuerleitung 26, über die die hydraulische Betätigung erfolgt, vorzugsweise im Pleuellager 20 von der Ölgalerie bzw. von den Ölzulaufleitungen 21 und 22 abzweigen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Druckverluste des Pleuellagers 20 erheblich reduziert werden, da das aus den Ölrücklaufleitungen 23 und 24 stammende Druckmittel in die Ölgalerie 64 geleitet wird und nicht in den Schmierölsumpf der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Anhand der Druck-/Zeitdiagramme und der zugehörigen Schaltstellungen des Umschaltventils 27 in den 6 bis 13 wird deren Funktion näher erläutert
Das in den 6 bis 13 dargestellte Umschaltventil 27 entspricht in seinem Aufbau dem in 2a, b beschriebenen Umschaltventil mit dem Unterschied, dass anstelle der Arretierbolzen 53 die Arretierkugeln 67 verwendet werden.
In 6 ist das Umschaltventil 27 nach seiner Montage in der Montagegrundstellung gezeigt. Hierbei werden der Steuerschieber 38 und der Innenbolzen 49 aufgrund ihrer jeweiligen Federelemente 43 und 50 in ihrer Grundstellung gegen den Kopf 30 des Gehäuses 28 gedrückt. Dadurch ist der Hydraulikanschluss 32 über die Ringnut 39 und die Längsnut 41 mit dem Hydraulikanschluss 33 verbunden. Der an dem Hydraulikanschluss 32 angeschlossene Druckraum 18 kann somit in die Ölgalerie 64 entleert werden, da in dem Druckraum 18 ein wesentlich höherer Druck als im Schmiermittelkreislauf herrscht. Die Arretiermechanik 52 ist nicht eingerastet. Der Hydraulikanschluss 31 wird von dem Steuerschieber 38 blockiert. An dieser Montagegrundstellung ändert sich nichts, wenn der drehzahlabhängige Druck (p_Motor) im Schmiermittelkreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine herrscht.
Wird nun der Druck in der Steuerleitung 26 und damit am Hydraulikanschluss 33 auf einen Wert p₁erhöht (7), sei es, dass die Hydraulikpumpe 63 auf diesen Druck eingestellt wird oder sei es, dass der Druck aus einem Druckspeicher zur Verfügung gestellt wird, so wird dadurch als erstes der Innenbolzen 49 gegen die Kraft seines Federelementes 50 angehoben bis die Arretierkugeln 67 in die Öffnungen 48 in dem Arretierungsführungsrohr 46 einrasten können. Dies wird als erste verriegelte Schaltstellung des Innenbolzens bezeichnet.
Der Steuerschieber 38 verbleibt noch aufgrund seines wesentlich härteren Federelementes in seiner Montagegrundstellung. Somit ist der Hydraulikanschluss 32 nach wie vor geöffnet.
Wird der Druck p₁ erreicht (8), so wird dadurch auch der Steuerschieber 38 gegen die Kraft seines Federelementes 43 angehoben. Dadurch fluchtet nun auch die Vertiefung 38.3 mit den Öffnungen 48, so dass die Arretierkugeln 67 nun auch den Steuerschieber 38 verriegeln. Somit ist ein Zurückfahren des Steuerschiebers 38 in seine Montagegrundstellung blockiert. Damit ist die erste Schaltstellung erreicht, in der der Hydraulikanschluss 32 gesperrt und der Hydraulikanschluss 31 geöffnet ist.
Wird nun der Druck p₁ wieder auf den drehzahlabhängigen Schmieröldruck p_Motor abgesenkt, so kann der Druckraum 19 über die Ölrücklaufleitung 24, die Ringnut 40 und die Längsnut 41 in die Steuerleitung und damit in die Ölgalerie 64 entleert werden (9). Der Steuerschieber 38 und der Innenbolzen 49 verharren aufgrund der eingerasteten Arretiermechanik 52 in ihrer Stellung, der ersten Schaltstellung.
Wird anschließend der Druck an dem Hydraulikanschluss 33 auf einen Wert p₂ erhöht (10), der wesentlich über dem Wert p₁ liegt, werden der Steuerschieber 38 und der Innenbolzen 49 gegen die Kraft ihrer Federelemente 43 und 50 weiter angehoben, bis sie bei Erreichen des Wertes p₂ an die Bodenplatte 44 anliegen (11). Durch diese Bewegung wird auch die Arretiermechanik 52 entriegelt. Dadurch wird der Hydraulikanschluss 31 noch nicht von dem Steuerschieber 38 verschlossen. Durch den erhöhten Druck p₂ ist sichergestellt, dass die Arretiermechanik 52 sicher wieder entriegelt wird (Fail-Safe-Position). Diese Stellung wird als zweite Schaltstellung bezeichnet.
Wird der Druck p₂ wieder abgesenkt (12), so wird aufgrund der unterschiedlichen Charakteristik der einzelnen Federelemente 50, 42 und 53 zuerst wieder der Steuerschieber 38 in seine Montagegrundstellung verfahren, sobald der Druck p₁ unterschritten wird. Damit wird der Hydraulikanschluss 32 wieder über die Ringnut 39 wieder freigegeben und der inzwischen im Druckraum 18 wieder aufgebaute Hydraulikdruck abgebaut, während der Ölabfluss aus dem Druckraum 19 wieder verschlossen ist.
Solange der Druck in der Steuerleitung 26 über dem Druck p₁ liegt, verharrt der Innenbolzen 49 noch in seiner oberen Anschlagposition, da das Federelement 50 zu schwach ist, den Innenbolzen 49 herunter zu fahren. Das Federelement 50 ist gegenüber dem Federelement 43 so ausgelegt, dass der Innenbolzen 49 erst dann verfahren wird, wenn der Druck p₁deutlich unterschritten wird.
In 13 ist die gleiche Schaltstellung wie in 2 gezeigt. Sie wird dann erreicht, wenn der Druck in der Steuerleitung 26 wieder auf dem drehzahlabhängigen Schmieröldruck in der Hubkolbenbrennkraftmaschine abgesunken ist. Sie ist somit auch die Ausgangsstellung für alle weiteren Schaltvorgänge. In dieser Schaltstellung ist der Innenbolzen 49 von der Arretiermechanik 52 verriegelt, während der Steuerschieber 38 in seiner Montagegrundstellung zurückgekehrt ist.
In 14 sind schematisiert die Federkennlinien (Federkraft über Federweg) der einzelnen Federelemente 50, 43 und 53 sowie die Druckwerte p_1, p₂ p_Motor dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
2: Pleueloberteil
3: Pleuelunterteil
4: Pleuellagerauge
5: Pleuelauge
6: Exzenter
7: Verstellelement
8: Kolbenbolzen
9: Arbeitskolben
10: Lasche
11: Lasche
12: Kolbenstange
13: Kolbenstange
14: Stellkolben
15: Stellkolben
16: Stützzylinder
17: Stützzylinder
18: Druckraum
19: Druckraum
20: Pleuellager
21: Ölzulaufleitung
22: Ölzulaufleitung
23: Ölrücklaufleitung
24: Ölrücklaufleitung
25: Aufnahmebohrung
26: Steuerleitung
27: Umschaltventil
28: Gehäuse
29: Wandabschnitt
30: Kopf von 28
31: Hydraulikanschluss
32: Hydraulikanschluss
33: Hydraulikanschluss
34: Rippen
35: Nut
36: Radialdichtringe
37: Steuereinheit
38: Steuerschieber
38.1: Außenwand von 38
38.2: Innenwand von 38
38.3: Vertiefung von 38
39: Ringnut
40: Ringnut
41: Längsnut
42: Wandzwischenraum
43: 2. Federelement
44: Bodenplatte
45: Sprengring
46: Arretierungsführungsrohr
47: Öldurchtrittsöffnung
48: Öffnungen
49: Innenbolzen
50: 1. Federelement
51: Vertiefung in 49
52: Arretiermechanik
53: Arretierbolzen
54: 3. Federelement
55: Durchgangsbohrung
56: Außenseite
57: Hohlraum
58: Entlüftungsbohrung
59: Entlüftungsbohrung
60: Sicherungsbolzen
61: Längsschlitz in 46
62: Längsnut in 49
63: Hydraulikpumpe
64: Ölgalerie
65: Rückschlagventil
66: Rückschlagventil
67: Arretierkugel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010016037 A1 [0007, 0018]

Claims

Umschaltventil (27), insbesondere zum Steuern eines Hydraulikstromes für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, das eine federbelastete Steuereinheit (37) aufweist, die in einer ersten Schaltstellung einen ersten Hydraulikanschluss (32) und in einer zweiten Schaltstellung einen zweiten Hydraulikanschluss(31) freigibt, und mit einer Arretiermechanik (52), die über einen dritten Hydraulikanschluss (33) betätigbar ist und über die die erste Schaltstellung verriegelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (27) als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist, dass die Steuereinheit (37) aus einem Steuerschieber (38) und einem Innenbolzen (49) besteht, dass durch Anlegen eines ersten Hydraulikdruckes (p₁) über den dritten Hydraulikanschluss (33) der Steuerschieber (38) und der Innenbolzen (49) in der ersten Schaltstellung miteinander verriegelt sind und der zweite Hydraulikanschluss (31) freigeschaltet ist, dass durch Anlegen eines zweiten Hydraulikdruckes (p₂) über den dritten Hydraulikanschluss (33) der Steuerschieber (38) und der Innenbolzen (49) entkoppelt sind und dass beim Absenken des zweiten Hydraulikdruckes (p₂) unter dem Wert des ersten Hydraulikdruckes (p₁) der Innenbolzen (49) in seiner ersten verriegelten Schaltstellung und der Steuerschieber (38) in seine Montagegrundstellung zurückkehrt, so dass der erste Hydraulikanschluss (32) freigeschaltet ist.
Umschaltventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hydraulikdruck (p₂) über dem ersten Hydraulikdruck (p₁) liegt.
Umschaltventil nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbolzen (49) koaxial im Steuerschieber (38) angeordnet und gegen die Kraft eines ersten Federelementes (50) verschiebbar ist, dass der Steuerschieber (38) gegen die Kraft eines zweiten Federelementes (43) verschiebbar ist, und dass die Arretiermechanik (52) in dem Innenbolzen (49) integriert ist.
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiermechanik (52) aus zwei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Innenbolzens (49) verfahrbaren Arretierungsbolzen (53) besteht, die über ein drittes Federelement (54) aus dem Innenbolzen (49) heraus fahrbar sind.
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiermechanik (52) aus zwei Kugeln (67) bestehen, die über das dritte Federelement (54) verfahrbar sind.
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des dritten Federelementes (54) größer ist als die des zweiten Federelementes (43), die wiederum größer ist als die des ersten Federelementes (50).
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zwischen dem Steuerschieber (38) und dem Innenbolzen (49) ein Arretierungsführungsrohr (46) vorgesehen ist, dass zwei fluchtende Öffnungen (48) an seinem Wandbereich aufweist, in die die Arretiermechanik (52) den Innenbolzen verrastet, wenn am dritten Hydraulikanschluss (33) ein Hydraulikdruck anliegt, der geringer als der erste Hydraulikdruck (p₁) ist.
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem inneren Umfang des Steuerschiebers (38) zwei fluchtende Vertiefungen (51) vorgesehen sind, die bei Anliegen des ersten Hydraulikdruckes (p₁) mit den Öffnungen (48) in dem Arretierungsführungsrohr (46) fluchten.
Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (38) auf seinem Umfang zwei Ringnuten (39, 40) und eine Längsnut (41) trägt, über die der erste und zweite Hydraulikanschluss (31, 32) mit dem dritten Hydraulikanschluss (33) verbindbar ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Umschaltventil nach einem der vorangegangenen Patentansprüche in einem Steuersystem zur Betätigung zweier mit einem Verstellelement (7) zusammenwirkenden Stellkolben (14 und 15), wobei das Verstellelement (7) durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich die in Stützzylindern (16 und 17) geführten einfachwirkenden Stellkolben(14 und 15), die gemeinsam mit den Stützzylindern (16 und 17) jeweils einen Druckraum (18, 19) bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, wobei die Druckräume (18, 19) jeweils über eine Ölzulaufleitung (21, 22), in welcher ein Rückschlagventil (65, 66) angeordnet ist, mit einer Ölversorgung (64) verbunden sind, wobei von den beiden Druckräumen (18 und 19) ausgehende Ölrücklaufleitungen (23 und 24) mit dem Umschaltventil (27) verbunden sind, über welches die Ölrücklaufleitungen (23 und 24) wahlweise druckentlastbar sind.