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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines mechanisch betätigbaren Umschaltelements in einem Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei mittels des Umschaltelements zur Steuerung einer Verstellvorrichtung für eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine jeweils ein Ölrücklauf eines von zwei Druckräumen zumindest eines Stützzylinders der Verstellvorrichtung mit zumindest einer Abströmbohrung verbindbar ist, wobei das in einer Aufnahmebohrung des Pleuels anordenbare Umschaltelement einen mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbaren Steuerschieber aufweist, der abwechselnd durch Steuerflächen eines an seinen beiden Stirnflächen angreifenden Aktuators längsverschiebbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, mit wenigstens einer hydraulischen Stelleinrichtung zum Einstellen der effektiven Länge des Pleuels, die wenigstens einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten Exzenterkörper, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume von zumindest einem Stützzylinder, in dem ein Stellkolben verschiebbar geführt ist, und wenigstens eine Kolbenstange, die einen Stellkolben mit dem Exzenterkörper verbindet, aufweist, wobei die Stelleinrichtung über ein mechanisch betätigbares Umschaltelement verstellbar ist.
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Stand der Technik
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Das Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ε bezeichnet das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes. In vorteilhafter Weise können durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert und somit insgesamt deren Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen nimmt allerdings mit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zu. Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches.
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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.
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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.
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Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, mit denen die effektive Länge des Pleuels verstellt wird. Bei dieser Verstellung wird der Abstand zwischen einem auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle angeordneten Pleuellagerauge des Pleuels und einem in einem Pleuelauge des Pleuels angeordneten Kolbenbolzenlager verändert wird. Dabei kann die Verstellung an dem das Kolbenbolzenlager aufnehmenden Pleuelauge oder an dem am Kurbelzapfen gellagerten Pleuellagerauge erfolgen, wodurch sich jeweils die Lage des Kolbens gegenüber dem Kurbelzapfen verändert.
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Eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2012 112 461 A1 bekannt. Danach nimmt ein Pleuelauge über seine Bohrung einen Exzenterkörper auf, an dem ein zweiarmiger Exzenterhebel angreift. Eine Längsmittelachse einer in dem Exzenterkörper vorgesehenen Kolbenbolzenbohrung ist gegenüber einer Längsmittelachse des Pleuelauges versetzt angeordnet, woraus die Exzentrizität resultiert. Der Exzenterkörper ist mit einer zylindrischen äußeren Umfangsfläche in der Bohrung des Pleuelauges gleitend geführt. Drehbewegungen des Exzenterkörpers in der Bohrung des Pleuelauges erfolgen selbsttätig. Ausgelöst werden diese durch die Einwirkung von Massen- und Gaskräfte der Zylindereinheit, wobei sich deren Wirkrichtungen während des Arbeitsverfahrens derselben ständig ändern. Weiterhin ist der Exzenterhebel an seinen Enden jeweils über ein Schwenklager mit einer einen Stellkolben aufnehmenden Kolbenstange verbunden, wobei die Stellkolben in Stellzylindern geführt sind.
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Eine gesteuerte Drehbewegung des Exzenterkörpers unter den Massen- und Gaskräften der Zylindereinheit und folglich ein gezieltes Verschwenken des Exzenterhebels in eine der beiden Richtungen wird dadurch ermöglicht, dass der in der Drehrichtung liegende Druckraum des Stellzylinders drucklos ist, während in den Druckraum des anderen Stellzylinders Motoröl mit dem entsprechenden Druck der Schmierölpumpe einströmt. Diese Steuerung wird von einem als Steuerschieber ausgebildeten Schieber einer Umschalteinrichtung, die in der Nähe des Pleuelauges angeordnet und als Umschaltventil ausgeführt ist, übernommen. Der Steuerschieber wird dabei mechanisch in eine seiner beiden Schaltstellungen verschoben, so dass jeweils einer der Druckräume drucklos in die Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine entleert und der andere Druckraum mit Motoröl befüllt wird.
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Dabei ist in eine parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagerauges verlaufende Aufnahmebohrung ein als hülsenförmiges Verbindungselement bezeichnetes Gehäuse des Umschaltventils eingesetzt, das eine erste und eine zweite jeweils mit Ölrücklaufleitungen verbundene Bohrung sowie eine mit einem Entlüftungskanal verbundene Entlüftungsbohrung aufweist. Der im Gehäuse längsverschiebbare Schieber weist eine T-förmige Nut auf, über die wahlweise eine der beiden Bohrungen mit der Entlüftungsbohrung verbunden wird. Für die Verstellung des Schiebers in jede seiner beiden Schaltstellungen soll ein mittels eines vorzugsweise elektrisch betätigten Stellgliedes übertragener Betätigungsimpuls vorgesehen sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines mechanisch betätigten Umschaltelements für ein mit einer Vorrichtung zur Änderung der Verdichtung einer Zylindereinheit zu schaffen, das sich in vorteilhafter Weise, insbesondere mit geringem Fertigungsaufwand in das Pleuel integrieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche 1, 2 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach ist die Anordnung eines mechanisch betätigbaren Umschaltelements in einem Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen, wobei mittels des Umschaltelements eine Verstellvorrichtung für eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteuert wird. Zu diesem Zweck sind jeweils ein Ölrücklauf eines von zwei Druckräumen zumindest eines Stützzylinders der Verstellvorrichtung mit zumindest einer Abströmbohrung verbindbar. Die Verstellvorrichtung kann zwei einfachwirkende Stützzylinder oder einen doppeltwirkenden Stützzylinder aufweisen. Das in einer Aufnahmebohrung des Pleuels anordenbare Umschaltelement weist einen mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbaren Steuerschieber auf, der abwechselnd durch Steuerflächen eines an seinen beiden Stirnflächen angreifenden Aktuators längsverschiebbar ist. Dabei soll das Umschaltelement vorzugsweise als 3/2- oder 4/2-Wegeventil ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß soll die Aufgabe dadurch gelöst werden, dass das Umschaltelement in einem Steuerungsmodul angeordnet ist, wobei das Steuerungsmodul ein Modulgehäuse mit einer zumindest abschnittsweise zylindrischen Außenkontur aufweist. Mit dieser zylindrischen Außenkontur ist das Modulgehäuse in die als Durchgangsbohrung ausgebildete Aufnahmebohrung, die quer zu einer Längsmittelachse eines Pleuellagerauges des Pleuels verläuft, einsetzbar. Dabei weist ein Endabschnitt des Modulgehäuses zur Aufnahme des Steuerschiebers eine quer zu dessen Längsmittelachse verlaufende Führungsbohrung auf. Die Durchgangsbohrung für den Steuerschieber erstreckt sich somit unter einem Winkel von 90° zur Längsmittelachse des Modulgehäuses.
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Zur Aufnahme des Modulgehäuses muss somit ein Pleueloberteil des Pleuels mit der unter einem rechten Winkel zur Längsmittelachse der Lagerbohrung des Pleuellagerauges verlaufenden Durchgangsbohrung versehen werden, was durch einen einfachen Bohrvorgang erfolgen kann. Insofern bestehen Vorteile im Vergleich zu der Verwendung einer Sackbohrung, die nur bis zu einer vorgegebenen Tiefe hergestellt wird und im vorliegenden Fall an ihrer Stirnseite zur Herstellung einer planen Fläche bearbeitet werden müsste. Die Durchgangsbohrung wird vorzugsweise in einem Bereich des Pleueloberteils vorgesehen, in welchem ein Pleuelschaft in ein Pleuellagergehäuse übergeht. Dabei kann die Durchgangsbohrung unter einem spitzen Winkel zu einer Querebene des Pleuels verlaufen, wodurch sich eine größere Führungslänge der Durchgangsbohrung ergibt und die Ölübertritte in das Modulgehäuse ausreichend zueinander abgedichtet werden können. Es werden somit Leckagen vermieden, die anderenfalls die Funktion der Verstelleinrichtung beeinträchtigen könnten. Der vorgenannte spitze Winkel kann 20 - 30° betragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Modulgehäuse in die Durchgangsbohrung eingepresst.
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Wenn das Modulgehäuse in die Durchgangsbohrung eingepresst und der Steuerschieber in dessen ebenfalls als Durchgangsbohrung hergestellten Führungsbohrung eingefügt ist, verläuft dieser Steuerschieber parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagers. Das Modulgehäuse kann insgesamt als zylindrischer Wellenstummel ausgeführt sein, der mit radialen und axialen Bohrungen sowie Nuten versehen wird. Zwischen dem Modulgehäuse und der Mantelfläche der Durchgangsbohrung können zudem zusätzliche Sicherungsmittel vorgesehen sein, die das Verdrehen oder ein Herauswandern des Steuerungsmoduls im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus der Durchgangsbohrung dauerhaft verhindern.
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Dabei weist der in die Durchgangsbohrung eingesetzte Abschnitt eine ausreichende Länge auf, um Leckagen aus den Ölleitungen bzw. Ölrücklaufleitungen zu vermeiden. Weiterhin nimmt ein aus der Aufnahmebohrung vorstehendes Ende des Modulgehäuses über die Durchgangsbohrung den Steuerschieber auf. Die Länge des über das Pleuel vorstehenden Endes kann folglich variiert und somit derart ausgebildet werden, dass die Enden des Steuerschiebers in einer vorgesehenen Art mit beispielsweise als Kurvenscheiben ausgebildeten, im Kurbelgehäuse angeordneten Stellelementen zusammenwirken können. Der über das Pleuel vorstehende Abschnitt des Modulgehäuses kann auch einen rechteckigen Querschnitt oder, ausgehend von seiner zylindrischen Ausbildung, zwei parallel verlaufende Abflachungen aufweisen.
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Weiterhin soll die Aufgabe auch dadurch gelöst werden, dass das Umschaltelement ebenfalls in einem ein Modulgehäuse aufweisenden Steuerungsmodul angeordnet ist, welches über eine zumindest abschnittsweise zylindrische Außenkontur in die quer zu einer Längsmittelachse des Pleuellagerauges verlaufende Aufnahmebohrung einsetzbar ist, wobei das Modulgehäuse zur Aufnahme des Steuerschiebers eine quer verlaufende Führungsbohrung aufweist. Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass das Steuerungsmodul über radiale Druckmittelanschlüsse mit an die Druckräume angeschlossenen Ölleitungen und mit einer an das Pleuellagerauge angeschlossenen Fluidleitung verbunden ist.
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Auch in diesem Fall soll das Modulgehäuse in die Aufnahmebohrung eingepresst werden, wodurch die Druckmittelübergänge zwischen dem Modulgehäuse und dem Pleuel abgedichtet werden. Da auf eine stirnseitige, also axiale Druckmittelverbindung zwischen dem Pleuel und dem Modulgehäuse verzichtet wird, müssen an diesen Stellen auch keine planen Flächen hergestellt werden, die eine ausreichende Abdichtung gewährleisten müssten. In Weiterbildung dieser Ausbildung des Modulgehäuses mit radialen Druckmittelanschlüssen soll dieses derart gestaltet sein, dass es für eine Anordnung in einer Durchgangsbohrung, die als Aufnahmebohrung dient, vorgesehen ist.
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Demgegenüber ist bei dem Umschaltventil nach der 10 2012 112 461 A1 der Schieber derart in dem Gehäuse angeordnet, dass die Längsmittelachsen von dem Gehäuse und dem Schieber gleichachsig verlaufen. Das Umschaltventil ist zwar für eine Anordnung innerhalb einer als Durchgangsbohrung ausgebildeten Aufnahmebohrung des Pleuels vorgesehen. Die Längsmittelachse der Aufnahmebohrung verläuft dabei aber parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagerauges. am unteren Ende der jeweiligen Zylinderlaufbuchse. Folglich ist die zumeist geringe Breite des Pleuels nicht ausreichend, um die radial zum Gehäuse verlaufende Druckmittelübertritte ausreichend zueinander abzudichten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Steuerschieber mittig mit einem an seinem Umfang umlaufenden Rastgebirge versehen und im Bereich seiner beiden Enden, in welchem Rücklaufkanäle in die Führungsbohrung münden, mit seiner Außenmantelfläche dichtend in der Führungsbohrung geführt sein, wobei je nach Schaltstellung des Steuerschiebers über die durch das Rastgebirge gebildeten Rastnuten jeweils eine der beiden Rücklaufbohrungen mit zumindest einer Abströmbohrung verbunden ist. Das Modulgehäuse, das beispielsweise aus einem Wellenstummel hergestellt ist, wird zunächst mit der quer verlaufenden Führungsbohrung versehen, die sich nahe des einen Endes des Modulgehäuses befindet. Anschließend werden von dem anderen Ende des Modulgehäuses her die längs verlaufenden Ölbohrungen hergestellt, die in der Funktion von Ölrücklaufbohrungen mit der Führungsbohrung verbunden sind. Über den in die Führungsbohrung eingesetzten Steuerschieber kann je nach dessen Schaltstellung eine der beiden Ölrücklaufbohrungen mit einer Abströmbohrung verbunden werden. Im Falle einer Abströmbohrung wird somit ein 3/2-Wegeventil und im Falle zweier Abströmbohrung ein 4/2-Wegeventil gebildet.
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Wenn, wie weiterhin vorgesehen, der Steuerschieber mit einem Rastgebirge versehen ist, soll dieses mittig des Steuerschiebers vorgesehen sein und an dessen Umfang umlaufen. Dabei soll der Steuerschieber im Bereich seiner beiden Enden, in welchem die Ölrücklaufbohrungen in die Führungsbohrung einmünden, mit seiner Außenmantelfläche dichtend in der Führungsbohrung geführt sein, wobei je nach Schaltstellung des Steuerschiebers über die durch das Rastgebirge gebildeten Ausnehmungen jeweils eine der beiden Rücklaufbohrungen mit einer Abströmbohrung verbunden ist.
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Weiterhin kann die zumindest eine Abströmbohrung mit einem innerhalb des Pleuellagergehäuses vorgesehenen Abströmkanal verbunden sein, der in das Innere des Pleuellagers mündet. Somit wird das über den Abströmkanal aus einem der beiden Stellzylinder abgeführte Druckmittel wieder dem Pleuellager zugeführt, also in das Ölversorgungsnetz rekuperiert. Dadurch können die Druckverluste im Schmierölsystem, die anderenfalls bei einer Umschaltung der am Pleuel vorgesehenen Verstelleinrichtung auftreten könnten, erheblich reduziert werden. An der Außenmantelfläche des Modulgehäuses kann ein entsprechender Sammelraum durch eine Abflachung oder Ausnehmung hergestellt sein, wobei zweckmäßigerweise die beiden Abströmbohrungen, ausgehend von der Durchgangsbohrung V-förmig verlaufend, in diesen Sammelraum einmünden. Der Sammelraum ist dabei weiterhin mit einem Abströmkanal verbunden, der dann in das Innere des Pleuellagers führt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sollen zwei Rastnuten des Rastgebirges zu den Enden des Steuerschiebers hin durch kreisringförmige Flanken begrenzt sein, wobei jede der Flanken gemeinsam mit der Außenmantelfläche Steuerkanten bildet. Dabei kann, wie weiterhin vorgeschlagen, ein in das Rastgebirge eingreifender zylindrischer Arretierstift in einer im Bereich der Längsmittelachse des Steuerungsmoduls verlaufenden Bohrung geführt und über eine Arretierfeder abgestützt sein. Von den beiden Rastnuten aus verlaufen somit zur Mitte des Steuerschiebers hin kegelig ausgebildete Arretierflächen, die das Rastgebirge bilden, während die beiden Rastnuten in Richtung der Enden des Steuerschiebers durch die kreisringförmigen Flanken begrenzt sind. Über seine außerhalb des Rastgebirges liegenden Abschnitte ist der Steuerschieber dichtend in der Durchgangsbohrung geführt, so dass über diese Abschnitte die Rücklaufbohrungen versperrbar sind. Der Übergang von der jeweiligen kreisringförmigen Flanke zur Außenmantelfläche des Steuerschiebers dient dabei als Steuerkante.
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Neben den beiden Ölbohrungen bzw. Ölrücklaufbohrungen ist im Modulgehäuse folglich eine zentrisch verlaufende Bohrung vorgesehen, in der der zylindrische Arretierstift verschiebbar angeordnet ist. Dieser an seinem vom Steuerschieber abgewandten Ende an einer als Druckfeder ausgebildeten Arretierfeder abgestürzte Arretierstift sorgt außerdem für eine axiale Wegbegrenzung des Steuerschiebers, da sich dessen Ende bei Erreichen der Schaltstellung jeweils an die entsprechende kreisringförmige Flanke der Rastnut anlegt. Die Arretierfeder stützt sich an einem Anschlag ab, der von dem stirnseitigen Ende des Modulgehäuses her in die Bohrung eingesetzt wird und vorzugsweise mit einer Entlüftungsbohrung versehen ist. Alternativ dazu kann auch eine Entlüftungsbohrung innerhalb des Arretierstifts vorgesehen sein. Die Ölbohrungen sind an der entsprechenden Stirnseite, die von dem den Steuerschieber aufnehmenden Ende abgewandt ist, durch Stopfen verschlossen.
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Weiterhin kann das in die Durchgangsbohrung eingepresste Steuerungsmodul an seinem Ende, das von dem die Führungsbohrung aufnehmenden Endabschnitt abgewandt ist, einen radial vorstehenden Bund aufweisen oder einen Sicherungsring aufnehmen. Durch diesen axialen Anschlag wird die exakte Lage des Modulgehäuses innerhalb des Pleuels bestimmt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, auch am anderen Ende des Modulgehäuses einen Sicherungsring vorzusehen, so dass dieses axial innerhalb der Durchgangsbohrung fixiert ist und sich durch die im Betrieb auftretenden Kräfte nicht verschieben kann.
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In Weiterbildung der Erfindung sollen Rückschlagventile, die jeweils zwischen der Fluidleitung und in zu den Druckräumen führenden Ölkanälen angeordnet sind, in das Modulgehäuse integriert sein. Die bisherige Anordnung der Rückschlagventile innerhalb des Pleuels wird somit in das Steuerungsmodul verlagert, wodurch sich die Gestaltung und die Herstellung des Pleuels vereinfachen. Die Integration der Rückschlagventile in das insgesamt als zylindrischer Wellenstummel ausgeführte Modulgehäuse führt zu einer kompakten Anordnung und dazu, dass sämtliche hydraulische Steuerfunktionen vom Steuerungsmodul übernommen werden, denn es sind alle für die Steuerung der Verstellvorrichtung erforderlichen Ventile in einem Bauteil zusammengefasst. Die Stützzylinder stützen sich in ihrer Endlage nicht mehr auf den Rückschlagventilen ab, wie dies bislang im Stand der Technik der Fall ist. Die Abstützung der Stützkolben kann direkt am Boden der Stützzylinder erfolgen. Die Rückschlagventile sollen derart in dem Modulgehäuse angeordnet sein, dass bei in das Pleuel eingebautem Steuerungsmodul die jeweilige Wirkrichtung der Sperrkörper der Rückschlagventile quer zur Längsrichtung des Pleuels verlaufen soll. Damit wird erreicht, dass die Sperrkörper nicht den am Pleuel auftretenden Beschleunigungskräften ausgesetzt sind.
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In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass das Modulgehäuse in seiner Außenmantelfläche eine mit der Fluidleitung verbindbare Umfangsnut aufweist. Über diese Umfangsnut wird das Druckmittel den Rückschlagventilen zugeführt. Außerdem dient die umlaufende Umfangsnut auch zu eine mechanischen Entkoppelung zwischen dem Steuerungsmodul und dem Pleuel, d.h., die Verformungen des Pleuels werden nicht auf die Rückschlagventile übertragen.
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Weiterhin soll die Umfangsnut mit zumindest einer einen Sammelraum bildenden Abflachung versehen sein, von deren Boden zwei Aufnahmebohrungen ausgehen, in die die beiden Rückschlagventile eingesetzt sind. Durch diese Abflachung wird ein Sammelraum gebildet, von dem zum einen die über die Rückschlagventile gesteuerten Ölleitungen ausgehen und in die zum anderen die zuvor erläuterten Abströmbohrungen einmünden. Über diesen Sammelraum erfolgt somit eine interne Ölrückführung in das Druckmittelsystem, so dass das Druckmittel nicht in die Ölwanne abgeleitet wird. Alternativ dazu können die Abströmbohrungen aber auch in die Ölwanne münden, so dass eine externe Ölrückführung erfolgt. Für beide Ausführungsformen können innerhalb der Abströmbohrungen vorgesehen sein, die vorzugsweise von dem den Steuerschieber aufnehmenden Ende her in die Abströmbohrungen eingepresst sind.
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Außerdem sollen im Modulgehäuse zwischen den Rücklaufleitungen und den Ölleitungen Verbindungsbohrungen vorgesehen sein, die als radial verlaufende Durchgangsbohrungen ausgebildet sind. Da, wie weiterhin vorgeschlagen, die Rückschlagventile derart in dem Modulgehäuse angeordnet sind, dass bei in das Pleuel eingebautem Steuerungsmodul die jeweilige Wirkrichtung der Sperrkörper um 90° verdreht zur Längsrichtung des Pleuels sein soll, sind diese Verbindungsbohrungen zwischen den Ölleitungen und den Ölrücklaufleitungen erforderlich. Durch entsprechende Ausrichtung der Rückschlagventile wird erreicht, dass diese nicht den am Pleuel auftretenden Beschleunigungskräften ausgesetzt sind. Damit nehmen die axial verlaufenden Ölleitungen aber, bezogen auf den Steuerschieber eine Lage ein, mit der sie nicht in Richtung der Steuerräume des Steuerschiebers verlaufen. Diese wird durch die Verbindungsleitungen korrigiert, so dass schließlich die Ölrücklaufleitungen auf die Steuerräume zulaufen.
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Von den Rückschlagventilen soll jeweils eine Ölleitung zu dem entsprechenden Druckraum der Verstelleinrichtung führen. Diese Ölleitung führt dem Druckraum das Druckmittel zu. Da von der entsprechenden Ölleitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Druckraum eine Ölrücklaufleitung abzweigt, die von dem Steuerschieber gesteuert wird, kann darauf verzichtet werden, sowohl die beiden Ölleitungen als auch die beiden Ölrücklaufleitungen bis an die Druckräume zu führen. Das erfindungsgemäße Steuerungsmodul beinhaltet diese Leitungsverbindungen, so dass innerhalb des Pleuelschafts nur noch Abschnitte der Ölleitungen verlaufen müssen.
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Schließlich soll die vorgenannte Aufgabe auch bei einem Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, gelöst werden. Dieses Pleuel ist mit wenigstens einer hydraulischen Stelleinrichtung zum Einstellen der effektiven Länge des Pleuels versehen, die einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten Exzenterkörper, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume von zumindest einem Stützzylinder, in dem ein Stellkolben verschiebbar geführt ist, und wenigstens eine Kolbenstange, die einen Stellkolben mit dem Exzenterkörper verbindet, aufweist. Dabei ist die Stelleinrichtung über ein Umschaltelement verstellbar. Dabei soll eine Anordnung und Ausbildung eines Umschaltelements gemäß der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 sowie der von diesen abhängigen Patentansprüche 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.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht eines Pleuels im Längsschnitt mit einer Verstellvorrichtung, die einem Pleuelauge des Pleuels zugeordnet ist und zwei Stellkolben, einen über einen Exzenterhebel verdrehbaren Exzenterkörper sowie ein erfindungsgemäßes Steuerungsmodul aufweist,
- 2 eine Teilansicht des Pleuels mit einem Schnitt im Bereich, in dem das Steuerungsmodul angeordnet ist,
- 3 eine stirnseitige Ansicht des gemäß der 2 im Pleuel angeordneten Steuerungsmoduls,
- 4 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Steuerungsmoduls,
- 5 im Querschnitt eine Teilansicht einer oberen Hälfte eines Pleuellagergehäuses, wobei das in diesem angeordnete Steuerungsmodul über radial zu diesem verlaufende Anschlüsse mit Ölleitungen und einer Fluidleitung verbunden ist,
- 6 eine stirnseitige Ansicht auf ein mit einem Sicherungsring versehenes Ende des Steuerungsmoduls,
- 7 eine Seitenansicht des Steuerungsmoduls,
- 8 einen Querschnitt durch das Steuerungsmodul gemäß Linie VIII - VIII in 7, wobei dieser Schnitt durch die Anordnung von Rückschlagventilen verläuft,
- 9 einen ersten Längsschnitt durch das Steuerungsmodul der 7,
- 10 einen zweiten, um 90° verdrehten Schnitt durch das Steuerungsmodul der 7,
- 11 einen Querschnitt durch das Steuerungsmodul gemäß Linie XI - XI in 10, aus dem die Anordnung von Verbindungsbohrungen hervorgeht,
- 12 einen Teilabschnitt des Steuerungsmoduls, aus dem in einen Sammelraum einmündende Abströmbohrungen hervorgehen, und
- 13 ein Schaltplan eines Steuersystems, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Steuerungsmoduls die Verstellvorrichtung eines Pleuels steuert.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem zum Teil als Pleuelschaft 2 ausgebildeten Pleueloberteil 3 und einem Pleuelunterteil 4 besteht. Das Pleueloberteil 3 und das Pleuelunterteil 4 bilden gemeinsam ein Pleuellagergehäuse 5 mit einem Pleuellagerauge 6, wobei das Pleuellagerauge 6 eine Längsmittelachse 7 aufweist und über dieses das Pleuel 1 auf einem in der 1 nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 3 mit einem Pleuelauge 8 versehen, in welchem über einen Exzenterkörper 9 und ein Kolbenbolzenlager 10 ein nicht näher dargestellter Kolbenbolzen angeordnet ist. Über den drehbar im Kolbenbolzenlager 10 geführten Kolbenbolzen ist ein ebenfalls nicht dargestellter Arbeitskolben einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Exzenterkörper 9 geführt, wobei eine Verdrehung des Exzenterkörpers 9 in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
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Der Exzenterkörper 9 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen sowie dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Gaskräfte, verstellt. Während des Arbeitsverfahrens der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Mit dem Exzenterkörper 9 ist ein als zweiarmiger Hebel ausgebildeter Exzenterhebel 11 drehfest verbunden, der diametral verlaufende Laschen 12 und 13 aufweist, wobei diese jeweils über Kolbenstangen 14 und 15 mit einfachwirkenden Stellkolben 16 und 17 verbunden sind. Die Stellkolben 16 und 17 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenterkörper 9 an, um diesem eine Verdrehung zu ermöglichen oder ihn in der jeweiligen Position abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 16 und 17 die Drehbewegung des Exzenterkörpers 9 unterstützt oder seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenterkörper 9 übertragenen Kräfte bewirkt werden würde, vermieden werden, denn es soll eine gezielte Verstellung des Exzenterkörpers 9 erfolgen.
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Die Stellkolben 16 und 17 bilden gemeinsam mit Zylinderbohrungen 18 und 19, in denen sie geführt sind, Stützzylinder 20 und 21, wobei jeder Stützzylinder 20 bzw. 21 einen Druckraum 22 bzw. 23 aufnimmt. In die Druckräume 22 bzw. 23 kann über Ölleitungen 24 und 25 als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 6 angeordneten Pleuellager einströmen. Außerdem führt eine Fluidleitung 26 vom Pleuellagerauge 6 zu einem Steuerungsmodul 27. Am Übergang vom Pleuelschaft 2 zum Pleuellagergehäuse 5 ist dieses erfindungsgemäß ausgebildete Steuerungsmodul 27 angeordnet, das quer zur Längsmittelachse 7 des Pleuellagerauges 6 verläuft. Das Steuerungsmodul 27 weist einen Steuerschieber 28 auf, der quer zu diesem und folglich parallel zur Längsmittelachse 7, des Pleuellagerauges 6 verläuft. Das in eine Durchgangsbohrung 29 eingepresste Steuerungsmodul 27 nimmt im Übrigen eine Lage ein, in der es unter einem spitzen Winkel 31 zu einer Querebene des Pleuels 1 angeordnet ist. Da das Steuerungsmodul 27 den quer zu dessen Längsachse verlaufenden Steuerschieber 28 aufnimmt, verläuft dieser letztendlich parallel zur Längsmittelachse 7 des Pleuellagerauges 6. An seinem von dem Steuerschieber 28 abgewandten Ende ist das Steuerungsmodul 27 mit einem radial vorstehenden Bund 30 versehen, der somit gegenüber dem Pleuel 1 einen axialen Anschlag bildet.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Pleuels 1 dargestellt. Zwischen Bruchlinien, die durch den Pleuelschaft 2 verlaufen, ist die Anordnung des Steuerungsmoduls 27 sichtbar. Dabei wird der Bund 30 durch einen Sicherungsring 32 gebildet, der in eine Ringnut des Steuerungsmoduls 27 eingeschnappt ist. Die 3 zeigt diese Anordnung des Steuerungsmoduls 27 im Pleuel 1 in einer Ansicht auf das mit dem Bund 30 bzw. dem Sicherungsring 32 versehenen Ende.
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Die 4 zeigt das Steuerungsmodul 27 in einer perspektivischen Ansicht, aus der hervorgeht, dass dieses aus einem Modulgehäuse 33 besteht, in dessen quer verlaufende Führungsbohrung 34 der Steuerschieber 28 eingesetzt ist. Beabstandet zu dem die Führungsbohrung 34 aufweisenden Ende sind Verbindungsbohrungen 35 und 36 vorgesehen, die durch Stopfen 37 und 38 verschlossen sind. Auf die Bedeutung dieser Verbindungsbohrungen 35 und 36 wird nachfolgend noch eingegangen werden. Weiterhin ist in der Außenmantelfläche des Modulgehäuses 33 eine Umfangsnut 39 vorgesehen, in der mittels einer Abflachung 40 ein Sammelraum 41 gebildet ist. Vom Boden dieses Sammelraumes 41 gehen Rückschlagventile 42 und 43 aus, die innerhalb des Modulgehäuses 33 radial oder sehnenartig zum zylindrischen Modulgehäuse 33 verlaufen. Außerdem ist im Modulgehäuse 33 ein Ölkanal 44 vorgesehen, der radial zum Modulgehäuse 33 verläuft. Dem mit dem Sicherungsring 32 versehenen Ende des Modulgehäuses 33 benachbart, ist eine Sammelnut 45 angeordnet, von der ein in dieser Darstellung nicht sichtbarer Ölkanal ausgehen soll.
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Die 5 zeigt eine Teilansicht des Pleuels 1 im Längsschnitt. Im entsprechenden Übergang des Pleuelschafts 2 in das Pleuellagergehäuse 5 ist in wesentlicher Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der 1, 2 und 3 das Steuerungsmodul 27 in die schräg zur Querebene des Pleuelschafts 2 verlaufende Durchgangsbohrung 29 eingepresst und bildet mittels des Sicherungsringes 32 einen axialen Anschlag. Im Pleuellagerauge 6 ist ein als Gleitlager ausgebildetes Pleuellager 46 angeordnet, von welchem nur eine obere Lagerschale 47 dargestellt ist. Diese Lagerschale 47 weist eine über einen Teil des Umfangs des Pleuellagers 46 verlaufende Sammelnut 48 auf, die mit einem nicht dargestellten Ölaustritt eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle zusammenwirkt. Von der Sammelnut 48 gehen radial verlaufende Ölbohrungen 49 aus, die in einen im Pleuellagergehäuse 5 vorgesehenen sichelförmigen Sammelraum 50 münden, von dem die Fluidleitung 26 ausgeht und zum Steuerungsmodul 27 führt.
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Betreffend die Ausbildung des Steuerungsmoduls 27 geht aus der Darstellung der 5 und 9 hervor, dass das Modulgehäuse 33 eine zentrisch verlaufende Bohrung 51 und, radial beabstandet zu dieser, zwei Ölkanäle 44 und 52 aufweist. Die beiden Ölkanäle 44 und 52 weisen jeweils eine radial zum Modulgehäuse 29 verlaufende Querbohrung 44a und 52a auf. Die Querbohrung 44a fluchtet dabei mit einem Ende der bereits im Zusammenhang mit der 1 erläuterten Ölleitung 24. Die Querbohrung 52a mündet in die Sammelnut 45, die wiederum mit der Ölleitung 25 in Verbindung steht. Die Ölkanäle 44 und 45 sind durch Stopfen 53 und 54 verschlossen, wobei sie mit den Verbindungsbohrungen 35 und 36 sowie mit den Rückschlagventilen 42 und 43 verbunden sind. In der zentral verlaufenden Bohrung 51 ist ein Arretierstift 55 angeordnet, der sich mit einem Ende über eine Arretierfeder 56 an einem in die Aufnahmebohrung 51 eingesetzten Stopfen 57 abstützt. Dieser Stopfen 57 ist vorzugsweise mit einer Entlüftungsbohrung versehen. Innerhalb des einen Endabschnittes des Modulgehäuses 33 befindet sich die quer zur Längserstreckung des Modulgehäuses 33 verlaufende Führungsbohrung 34, in der der Steuerschieber 28 längsverschieblich geführt ist.
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Die 6 zeigt eine stirnseitige Ansicht auf das mit dem Sicherungsring 32 versehenes Ende des Steuerungsmoduls 27. Dabei sind die in die Ölkanäle 44 und 52 eingesetzten Stopfen 53 und 54 sowie die Bohrung 51 sichtbar. Weiterhin geht aus der 6 ein radial über die Erstreckung des Modulgehäuses 33 vorstehendes Ende des Steuerschiebers 28 hervor. In der 7 ist das bereits perspektivisch in der 4 gezeigte Steuerungsmodul 27 dargestellt.
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Aus der 8 geht die Ausbildung der Rückschlagventile 42 und 43 hervor. Jedes der Rückschlagventile 42 und 43 weist einen kugelförmigen Sperrkörper 58 auf, der jeweils über eine Druckfeder 59 an einem Federteller 60 abgestützt ist. Ventilsitze für die Sperrkörper 58 sind unmittelbar im Modulgehäuse 33 ausgebildet. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, verlaufen Bewegungsachsen der Sperrkörper 58 parallel zu einer Längsmittelachse des Steuerschiebers 28. Daraus ergibt sich, dass bei in das Pleuel 1 eingebautem Steuerungsmodul 27 die jeweilige Wirkrichtung der Sperrkörper 58 um 90° verdreht zur Längsebene des Pleuels 1 verläuft. Durch die entsprechende Ausrichtung der Rückschlagventile 42 und 43 wird erreicht, dass diese nicht den am Pleuel 1 auftretenden Beschleunigungskräften ausgesetzt sind, da dadurch anderenfalls ihre Funktion negativ beeinflusst werden würde.
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Die 10 zeigt einen Längsschnitt durch das Steuerungsmodul 27 in einer Schnittebene, die durch den Steuerschieber 28 verläuft. Dabei sind von den Verbindungsbohrungen 35 und 36 ausgehende Rücklaufkanäle 61 und 62 sichtbar, die bis zur Führungsbohrung 34 verlaufen. Der Steuerschieber 28 weist Stirnflächen 63 und 64 sowie, in axialer Richtung gesehen, in seiner Mitte ein Rastgebirge 65 auf, das aus einer kegelige Rampen 66 aufweisenden Rasterhöhung 67 und beidseitig von diesem befindlichen Rastnuten 68 und 69 besteht. In Richtung der beiden Enden des Steuerschiebers 28 sind die Rastnuten 68 und 69 jeweils durch eine kreisringförmige Flanke 70 und 71 begrenzt. Im Übrigen weist der Steuerschieber 28 zylindrische Außenmantelflächen 72 und 73 auf, die wahlweise eine der Rücklaufkanäle 61 und 62 sperren. In der Darstellung nach der 10 ist der Rücklaufkanal 62 durch die zylindrische Außenmantelfläche 73 gesperrt, während der Rücklaufkanal 61 gegenüber der Rastnut 68 geöffnet ist.
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Das Modulgehäuse 33 weist außerdem Abströmbohrungen 74 und 75 auf, in die Abströmblenden 76 und 77 eingesetzt sind. Über die Abströmblende 76 kann im vorliegenden Fall das Druckmittel aus dem Rücklaufkanal 61 in eine Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine ausströmen. Diese Anordnung betrifft folglich eine externe Ölrückführung.
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Aus der 11 geht der Verlauf der Verbindungsbohrungen 35 und 36 hervor. Diese erstrecken sich jeweils zwischen den Ölkanälen 44 und 52 einerseits und den Rücklaufkanälen 61 und 62 andererseits. Dadurch wird erreicht, dass diese Kanäle in unterschiedlichen Ebenen, nämlich in um 90°versetzten Ebenen verlaufen können.
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Im Gegensatz zur 10 zeigt die 12 eine interne Ölrückführung, bei der Abströmbohrungen 78 und 79, ausgehend von der Führungsbohrung 34 bis in den Sammelraum 41 verlaufen. Dieses abgeführte Druckmittel wird also gemeinsam mit dem aus der Fluidleitung 26 über eines der Rückschlagventile 42 oder 43 einem der Ölkanäle 44 oder 52 zugeführt. Vorzugsweise sind in diese Abströmbohrungen 78 und 79 ebenfalls Blenden eingesetzt, die in der 13 mit 81 und 82 bezeichnet sind.
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Schließlich geht aus der 13 ein Schaltplan eines Steuersystems, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Steuerungsmoduls 27 die Verstellvorrichtung eines Pleuels steuert, hervor. Danach wird das aus einem Kurbelzapfen 80 einer Kurbelwelle austretende Druckmittel in den Sammelraum 50 und somit in die in diesem Schaltplan zwei Zweige bildende Fluidleitung 26 übertragen. Innerhalb des Steuerungsmoduls 27 tritt das Druckmittel über eines der Rückschlagventile 42 oder 43 in einen der Ölkanäle 44 oder 52 ein. Diese Ölkanäle 44 und 52 sind über die Ölleitungen 24 und 25 an die Druckräume 22 und 23 angeschlossen. Von den Ölkanälen 44 und 52 zweigen die Rücklaufkanäle 61 und 62 ab, die zum Steuerschieber 28 führen. Dieser ist als mechanisch betätigtes 4/2-Wegeventil ausgeführt und steuert dass Druckmittel wahlweise aus einem der Rücklaufkanäle 61 oder 62 in die entsprechende Abströmbohrung 78 oder 79, in die Abströmblenden 81 und 82 eingesetzt sind, ab. Das abströmende Druckmittel wird wieder der Fluidleitung 26 zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleuelschaft
- 3
- Pleueloberteil
- 4
- Pleuelunterteil
- 5
- Pleuellagergehäuse
- 6
- Pleuellagerauge
- 7
- Längsmittelachse von 6
- 8
- Pleuelauge
- 9
- Exzenterkörper
- 10
- Kolbenbolzenlager
- 11
- Exzenterhebel
- 12
- Lasche
- 13
- Lasche
- 14
- Kolbenstange
- 15
- Kolbenstange
- 16
- Stellkolben
- 17
- Stellkolben
- 18
- Zylinderbohrung
- 19
- Zylinderbohrung
- 20
- Stützzylinder
- 21
- Stützzylinder
- 22
- Druckraum
- 23
- Druckraum
- 24
- Ölleitung
- 25
- Ölleitung
- 26
- Fluidleitung
- 27
- Steuerungsmodul
- 28
- Steuerschieber
- 29
- Durchgangsbohrung
- 30
- Bund von 26
- 31
- spitzer Winkel
- 32
- Sicherungsring
- 33
- Modulgehäuse
- 34
- Führungsbohrung
- 35
- Verbindungsbohrung
- 36
- Verbindungsbohrung
- 37
- Stopfen
- 38
- Stopfen
- 39
- Umfangsnut
- 40
- Abflachung
- 41
- Sammelraum
- 42
- Rückschlagventil
- 43
- Rückschlagventil
- 44
- Ölkanal
- 44a
- Querbohrung
- 45
- Sammelnut
- 46
- Pleuellager
- 47
- obere Lagerschale
- 48
- Sammelnut
- 49
- Ölbohrung
- 50
- Sammelraum
- 51
- zentral verlaufende Bohrung
- 52
- Ölkanal
- 52a
- Querbohrung
- 53
- Stopfen
- 54
- Stopfen
- 55
- Arretierstift
- 56
- Arretierfeder
- 57
- Stopfen
- 58
- kugelförmiger Sperrkörper von 42 bzw. 43
- 59
- Druckfeder
- 60
- Federteller
- 61
- Rücklaufkanal
- 62
- Rücklaufkanal
- 63
- Stirnfläche von 28
- 64
- Stirnfläche von 28
- 65
- Rastgebirge
- 66
- kegelige Rampen
- 67
- Rasterhöhung
- 68
- Rastnut
- 69
- Rastnut
- 70
- kreisringförmige Flanke
- 71
- kreisringförmige Flanke
- 72
- zylindrische Außenmantelfläche
- 73
- zylindrische Außenmantelfläche
- 74
- Abströmbohrung
- 75
- Abströmbohrung
- 76
- Abströmblende
- 77
- Abströmblende
- 78
- Abströmbohrung
- 79
- Abströmbohrung
- 80
- Kurbelzapfen
- 81
- Abströmblende
- 82
- Abströmblende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012112461 A1 [0007]
