DE102017104391A1

DE102017104391A1 - Umschalteinrichtung zur Steuerung einer Verstellvorrichtung und Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer derartigen Umschalteinrichtung

Info

Publication number: DE102017104391A1
Application number: DE102017104391.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Nendel; Markus POPP; Michael Knorr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-09-06

Abstract

Eine Umschalteinrichtung dient zur Steuerung einer Verstellvorrichtung, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine veränderbar ist. Dabei soll die Umschalteinrichtung über Ölleitungen (24 und 25) mit zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbaren Druckräumen zumindest eines Stützzylinders der Verstellvorrichtung und über ein Pleuellager mit einer Ölgalerie verbunden sein, während für ein Abströmen des Hydraulikfluids aus dem jeweiligen Druckraum ein dessen Ölleitung (24, 25) zugeordnetes Sitzventil mittels eines Betätigungselements der Umschalteinrichtung betätigbar ist. Zur Schaffung einer vorteilhaften Anordnung der für die Steuerung der Verstelleinrichtung vorgesehenen Steuerungselemente, mit der ungewünschte Druckverluste in den Druckräumen der Verstelleinrichtung vermieden werden können, soll mit dem jeweiligen Druckraum eine einzige Ölleitung (24, 25) verbunden ist, über die diesem sowohl Hydraulikfluid zuführbar als auch aus diesem ableitbar ist, wobei das entsprechend Sitzventil als mit der jeweiligen Ölleitung (24, 25) zusammenwirkendes Rückschlagventil (30, 31) ausgebildet ist, in dessen druckabhängig geöffneter Stellung das Hydraulikfluid über die Ölleitung (24, 25) in den entsprechenden Druckraum gefördert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Umschalteinrichtung zur Steuerung einer Verstellvorrichtung, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine veränderbar ist, wobei die Umschalteinrichtung über Ölleitungen mit zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbaren Druckräumen zumindest eines Stützzylinders der Verstellvorrichtung und über ein Pleuellager mit einer Ölgalerie verbunden ist, wobei für ein Abströmen des Hydraulikfluids aus dem jeweiligen Druckraum ein dessen Ölleitung zugeordnetes Sitzventil mittels eines Betätigungselements der Umschalteinrichtung betätigbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der entsprechenden Zylindereinheit mittels einer Verstellvorrichtung in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, mit wenigstens einer hydraulischen Stelleinrichtung der Verstellvorrichtung, die einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten, mit einem Exzenterhebel verbundenen Exzenterkörper, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume zumindest eines Stützzylinders, in dem ein Stellkolben verschiebbar geführt ist, und wenigstens eine Kolbenstange aufweist, die den Stellkolben mit dem Exzenterhebel verbindet, wobei zur Steuerung der Verstellvorrichtung eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist.
Stand der Technik
Das Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet ein Verhältnis eines Volumens des gesamten Zylinderraumes zu einem Volumen des Kompressionsraumes. Eine Steigerung des Wirkungsgrades der Hubkolbenbrennkraftmaschine lässt sich durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erzielen, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. Bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit der Erhöhung im Volllastbetrieb die Klopfneigung der betreffenden Zylindereinheiten zunimmt. Das Klopfen wird durch eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches hervorgerufen.
Im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, könnte hingegen das Verdichtungsverhältnis zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert aber, dass es insgesamt zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Je nach Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine müsste daher das Verdichtungsverhältnis entsprechend angepasst, also verändert werden.
Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist im Übrigen besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die mit der Aufladung erzielten Ladedruck 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, bei denen das Verdichtungsverhältnis über einen Exzenter verstellt wird, der innerhalb eines Pleuelauges des Pleuels angeordneten. Dieser Exzenter wird an seiner Außenmantelfläche vom Pleuelauge aufgenommen, während eine exzentrisch zur Längsmittelachse des Pleuelauges verlaufende Bohrung des Exzenters als Kolbenbolzenlager zur Aufnahme eines Kolbenbolzens dient.
Eine Verstellung des Exzenters durch dessen Verdrehung erfolgt durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Lastkräfte, die aus den Massen- und Gaskräften resultieren. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist dabei zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die beiden Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter wirkenden Kräfte auftreten kann, vermieden werden. Für die Verdrehung und Abstützung des Exzenters kann auch ein doppeltwirkender Stützzylinder vorgesehen sein, der dann über eine Lasche eines Schwenkhebels am Exzenter angreift. Die Verstellung des Exzenters in die jeweiligen Drehlagen wird über eine Umschalteinrichtung gesteuert, so dass jeder Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine jeweils eine Umschalteinrichtung, über welche das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit eingestellt wird, zugeordnet ist.
Eine Umschalteinrichtung sowie ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis der im jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10 beschriebenen Gattung sind aus der DE 10 2013 113 432 A1 bekannt. Mit dieser Umschalteinrichtung wird eine Verstellvorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteuert, welche mit einem in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordneten Exzenter versehen ist. Innerhalb des mit zwei diametral verlaufenden Laschen versehenen Exzenters verläuft eine Kolbenbolzenbohrung, in der ein einen Arbeitskolben mit dem Pleuel verbindender Kolbenbolzen angeordnet ist. An den Laschen greift jeweils eine Kolbenstange der Vorrichtung an, wobei die Kolbenstangen mit Stützkolben verbunden sind. Stützzylinder, die die Stützkolben aufnehmen, werden über Ölzulaufleitungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Pleuellager versorgt. Neben der entsprechenden Ölzulaufleitung ist an jeden der beiden Führungszylinder eine Ölrücklaufleitung angeschlossen, die zu der die Verstellvorrichtung steuernden Umschalteinrichtung führt.
Dabei besteht die Umschalteinrichtung aus einem als Betätigungsmodul bezeichnetes Betätigungselement, das über eine patronenartige Hülse in einer Durchgangsbohrung eines Pleuellagergehäuses angeordnet ist. Ein linear verlagerbares Abgriffselement dieses Betätigungsmoduls ist durch eine Profilierung mit einer Steuerkontur versehen. Diese wirkt mit längsverschieblichen Betätigungsstangen zusammen, die mit ihren von der Steuerkontur abgewandten Enden an Ventilkörpern von Sperrventilen, die Bestandteil eines Ventilmoduls sind, anliegen. Die mittels der Betätigungsstangen abwechselnd in eine Öffnungsstellung betätigbaren Sperrventile stehen einerseits mit den Ölrücklaufleitungen in Verbindung und andererseits mit einem als Entlüftungskanal bezeichneten Abströmkanal in Verbindung.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Anordnung der für die Steuerung der Verstelleinrichtung vorgesehenen Steuerungselemente zu schaffen, mit der ungewünschte Druckverluste in den Druckräumen der Verstelleinrichtung vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Gemäß dem Patentanspruch 1 ist bei einer Umschalteinrichtung zur Steuerung einer Verstellvorrichtung, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine veränderbar ist, die Umschalteinrichtung über Ölleitungen mit zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbaren Druckräumen zumindest eines Stützzylinders der Verstellvorrichtung und über ein Pleuellager mit einer Ölgalerie verbunden. Für ein Abströmen des Hydraulikfluids aus dem jeweiligen Druckraum ist ein dessen Ölleitung zugeordnetes Sitzventil mittels eines Betätigungselements der Umschalteinrichtung betätigbar.
Ein Abströmen des Druckmittels aus dem jeweiligen Druckraum kann in das Innere eines Pleuellagers erfolgen. Somit wird das 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. Im Gegensatz zu bisher bekannten Umschalteinrichtungen, die als ein einen Ventilschieber aufweisendes Wegeventile ausgebildet sind, werden Sitzventile verwendet, die einen Ölrücklauf aus den Druckräumen sperren oder diesen frei geben. Eine entsprechende Betätigung der Sitzventile erfolgt durch die Betätigungseinrichtung. Die Druckräume können dabei in zwei einfachwirkenden Hydraulikzylindern oder in einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder ausgebildet sein.
Dabei soll mit dem jeweiligen Druckraum eine einzige Ölleitung verbunden ist, über die diesem sowohl Hydraulikfluid zuführbar als auch aus diesem ableitbar ist. Von der Umschalteinrichtung geht pro Druckraum also nur eine gesteuerte Ölleitung aus, die innerhalb eines Pleuelschafts des Pleuels verläuft. Daher wird der Fertigungsaufwand erheblich reduziert. Weiterhin soll das jeweilige Sitzventil als mit der entsprechenden Ölleitung zusammenwirkendes Rückschlagventil ausgebildet sein, in dessen druckabhängig geöffneter Stellung das Hydraulikfluid über die Ölleitung in den entsprechenden Druckraum gefördert wird. Das entsprechende Rückschlagventil erfüllt somit eine Doppelfunktion, indem über dieses bei einer Hubbewegung eines in dem jeweiligen Stützzylinder längsverschieblich geführten Stützkolbens Hydrauliköl nachgesaugt und anschließend ein Absinken des Stützkolbens durch die Sperrfunktion des Rückschlagventils verhindert wird.
In seiner zweiten Funktion wird über dieses Rückschlagventil das Absinken des Stützkolbens im Stützzylinder gesteuert, indem das Rückschlagventil mittels der Betätigungseinrichtung vorzugsweise mechanisch aus seiner Sperrstellung in eine Öffnungsstellung verstellt wird. In vorteilhafter Weise kann dabei ein Sperrkörper des Rückschlagventils unmittelbar mit der Betätigungseinrichtung zusammenwirken. Da das jeweilige Rückschlagventil beide Funktionen erfüllen soll, ist es erforderlich, dieses über eine einzige Ölleitung mit dem entsprechenden Druckraum zu verbinden. Dabei können in vorteilhafter Weise Leckagen der Druckräume und somit ein ungewolltes Absinken des entsprechenden Stützkolbens vermieden werden, da die vorgesehene Dichtfunktion von dem dem entsprechenden Druckraum zugeordneten Rückschlagventil übernommen wird.
Demgegenüber sind nach der DE 10 2013 113 432 A1 mit jedem Druckraum eine Ölzulaufleitung und eine Ölrücklaufleitung verbunden. Damit ist ein deutlich höherer Fertigungsaufwand erforderlich, um diese Anordnung herzustellen, denn im Pleuelschaft sind insgesamt vier Ölbohrungen anzuordnen. Außerdem müssen im Pleuellagergehäuse Führungsbohrungen für die beiden Betätigungsstangen und separate Aufnahmebohrungen für das Ventilmodul und die Betätigungseinrichtung hergestellt werden. Die Ölzulaufleitung nimmt das Rückschlagventil in deren Anschlussbereich an den Druckraum auf, wobei dieses ausschließlich aufgrund eines höheren Druckes der Ölzulaufleitung gegenüber dem Druck im Druckraum selbsttätig öffnet. In jeder der Ölrücklaufleitungen ist ein Sitzventil angeordnet, das innerhalb des Ventilmoduls angeordnet ist und mechanisch betätigt wird. Durch die getrennte Anordnung der Rückschlagventile besteht das Risiko, dass Leckagen auftreten, die zu einem ungewollten Absinken des entsprechenden Stützkolbens im Stützzylinder führen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sollen die Betätigungseinrichtung und die Rückschlagventile, zu einem hydraulischen Steuerungsmodul zusammengefasst, in einem Modulgehäuse angeordnet sein. Dieses ist in eine parallel zum Pleuellager verlaufende Aufnahmebohrung des Pleuels einsetzbar. Das Modulgehäuse ist folglich mit einer zylindrischen Außenkontur ausgebildet und kann aus einem Wellenstummel hergestellt werden. In einer Führungsbohrung des Modulgehäuses, die im Wesentlichen parallel oder quer zu dessen Längsmittelachse verläuft, ist das als profilierter Steuerschieber ausgebildete Betätigungselement angeordnet. Der Steuerschieber soll unmittelbar längsverschiebbar in der Ventilaufnahmebohrung geführt sein.
Dabei sind die beiden Rückschlagventile quer zum Steuerschieber angeordnet und werden durch quer zur Längsmittelachse des Modulgehäuses verlaufende Ventilaufnahmebohrung gebildet, d.h., die Ventilsitze der Rückschlagventile sind vorzugsweise unmittelbar in diesen Ventilaufnahmebohrungen ausgebildet. Mit profilierter Steuerschieber ist gemeint, dass dieser radial vorstehende Steuerkolben mit zwischen diesen ausgebildeten nutförmigen Ausnehmungen aufweisen kann. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, den Steuerschieber in dem Bereich, in welchem er mit den Rückschlagventilen zusammenwirkt nicht rotationssymmetrisch auszubilden, sondern auf diesem Vorsprünge anzuordnen.
Alternativ dazu können die Betätigungseinrichtung und die Rückschlagventile in einem Steuerungsmodul angeordnet sein. Ein Modulgehäuse diese Steuerungsmoduls weist zumindest abschnittsweise eine zylindrische Außenkontur und zur Aufnahme des als profilierter Steuerschieber ausgebildeten Betätigungselements eine quer verlaufende Durchgangsbohrung auf. Das Steuerungsmodul ist mit dem zylindrischen Abschnitt in eine Aufnahmebohrung, die im Pleuel quer zu einer Längsmittelachse des Pleuellagerauges verläuft, einsetzbar. Die Durchgangsbohrung für den Steuerschieber erstreckt sich somit unter einem Winkel von 90° zur Längsmittelachse des Modulgehäuses. Wenn das entsprechende Modulgehäuse in die Aufnahmebohrung eingepresst und der Steuerschieber in dessen ebenfalls als Durchgangsbohrung hergestellten Führungsbohrung eingefügt ist, verläuft dieser Steuerschieber, der mechanisch über eine Steuerkulisse betätigbar ist, parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagers.
Das Modulgehäuse kann insgesamt als zylindrischer Wellenstummel ausgeführt sein. Im Übrigen gilt das bereits im Zusammenhang mit dem Patentanspruch 2 Gesagte auch für diese Ausbildung des Modulgehäuses. Ein Vorteil tritt auch bei der Anordnung der Rückschlagventile, der Führungsbohrung benachbart, ein. Da 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, wird erreicht, dass diese nicht den am Pleuel auftretenden Beschleunigungskräften ausgesetzt sind.
Das Betätigungselement kann mechanisch oder hydraulisch betätigbar sein. Im Falle einer mechanischen Betätigung kann das Modulgehäuse, wie vorstehend erläutert, eine quer verlaufende Führungsbohrung für den abwechselnd an seinen Stirnseiten aktuierten Steuerschieber aufweisen. Alternativ dazu kann das Steuerungsmodul auch parallel zur Längsmittelachse des Pleuellagers verlaufend in das Pleuellagergehäuse eingesetzt sein. Bei einer hydraulischen Betätigung ist das Modulgehäuse vorzugsweise quer zur Längsrichtung des Pleuels im Pleuelschaft angeordnet, wobei der Steuerschieber im Modulgehäuse längs oder quer angeordnet sein kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerschieber zumindest zwei miteinander verbundene Steuerkolben aufweist, die zumindest an einem jeweils einem Sperrkörper des entsprechenden Rückschlagventils benachbarten Abschnitts der Außenmantelfläche einen, in axialer Richtung gesehen, rampenartigen Verlauf aufweisen.
Diese Steuerkolben können rotationssymmetrisch oder durch radiale Vorsprünge ausgebildet sein, wobei sie an ihren einander zugewandten Endabschnitten den rampenartigen Verlauf aufweisen. Bei rotationssymmetrisch gestalteten Steuerkolben sind die Endabschnitte kegelstumpfförmig gestaltet. Die an den rampenartigen Verläufen geführten Sperrkörper werden durch eine Längsbewegung des Steuerschiebers abwechselnd angehoben und in eine Öffnungsstellung bewegt oder gelangen in eine zwischen den Steuerkolben vorgesehene Ausnehmung und somit in ihre Schließstellung.
Ein Ventilsitz des jeweiligen Rückschlagventils kann in der quer zur Führungsbohrung verlaufenden Ventilaufnahmebohrung eingesetzt oder unmittelbar in der Bohrung dieses Abschnitts ausgebildet sein. Ebenfalls in die entsprechende Ventilaufnahmebohrung eingesetzt ist ein Abstützelement für eine Druckfeder, die den kugelförmigen Sperrkörper in Richtung des Ventilsitzes vorspannt. Da sowohl das Betätigungselement als auch die beiden Rückschlagventile Bestandteil des Steuerungsmoduls sind, kann an diesem vor dessen Montage in die Aufnahmebohrung des Pleuels ein Funktionstest durchgeführt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass Fehler der Steuerung der Verstelleinrichtung erst erkannt werden, wenn das verstellbare Pleuel vollständig komplettiert ist. Dann müsste eventuell das komplette Pleuel verschrottet werden.
Weiterhin können die Rückschlagventile wahlweise in einer Längsebene, einander benachbart, radial in das Modulgehäuse eingesetzt oder beidseitig des Steuerschiebers radial verlaufend angeordnet sein, wobei in letzterem Fall die beiden Steuerkolben spiegelbildlich ausgebildet und angeordnet sind.
In weitere Ausgestaltung der Erfindung soll zur Schaffung unterschiedlicher Blendenquerschnitte der beiden Rückschlagventile deren Ventilsitze mit unterschiedlichem radialen Abstand zur Längsmittelachse des Steuerschiebers vorgesehen sein. Durch diese Blendenquerschnitte wird ein konstantes Absinkverhalten des entsprechenden Stützkolbens bei unterschiedlichen Schmieröltemperaturen erreicht. Bei dem Rückschlagventil, das der zum gastkraftseitigen Stützzylinder führenden Ölleitung zugeordnet ist, wirkt bei geöffnetem Rückschlagventil ein größerer Blendenquerschnitt. Im Gegensatz dazu ist bei dem Rückschlagventil, das in der massenkraftseitigen Ölleitung angeordnet ist, der Blendenquerschnitt bei geöffnetem Rückschlagventil kleiner ausgebildet. Das wird dadurch erreicht, dass die beiden Ventilsitze unterschiedliche Lagen zum Steuerschieber einnehmen, so dass die jeweils durch den Steuerkolben angehobenen Sperrkörper unterschiedliche Öffnungsquerschnitte freigeben.
Weiterhin soll im Modulgehäuse zumindest ein sich radial in Richtung des Steuerschiebers erstreckender Stift befestigt sein, der zur Verdrehsicherung und/oder axiale Wegbegrenzung in zumindest eine Ausnehmung des Steuerschiebers oder in einen Freiraum an dessen Stirnseiten eingreift. An Stelle eines Stifts kann es sich im Falle einer Wegbegrenzung natürlich auch um ein scheibenartig ausgebildetes Bauelement handeln.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der entsprechenden Zylindereinheit mittels einer Verstellvorrichtung in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist. Die Verstellvorrichtung weist wenigstens eine hydraulische Stelleinrichtung auf, die einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten, mit einem Exzenterhebel verbundenen Exzenterkörper, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume zumindest eines Stützzylinders, in dem ein Stellkolben verschiebbar geführt ist, und wenigstens eine Kolbenstange aufweist Die Kolbenstange verbindet den Stellkolben mit dem Exzenterhebel, wobei zur Steuerung der Verstellvorrichtung eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist. Die Umschalteinrichtung kann, wie vorstehend erläutert, ausgebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche mit den abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles 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 das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränken.
Figurenliste
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen, in denen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Pleuels, wobei über einen mit Stützzylindern zusammenwirkenden Exzenterhebel die Lage eines Kolbenbolzenlagers in Bezug auf das Pleuel veränderbar und in eine Aufnahmebohrung des Pleuels ein erfindungsgemäßes mechanisch betätigbares Steuerungsmodul einsetzbar ist,
2 einen Längsschnitt durch ein Pleuel, das eine zweite Ausführungsform darstellt und ein hydraulisch betätigbares Steuerungsmodul aufweist,
3 einen im Maßstab 5:1 vergrößerte Teilansicht gemäß Ausschnitt III aus der 2,
4 das Steuerungsmodul der 3 als separat dargestellte Baueinheit,
5 eine um 90° gedrehte Schnittansicht des Steuerungsmoduls der 4, aus der eine Wegbegrenzung des Steuerschiebers hervorgeht,
6 eine im Maßstab 10:1 vergrößerte Teilansicht des Steuerungsmoduls gemäß Ausschnitt VI in 4,
7 eine im Wesentlichen mit den 4 und 5 übereinstimmende Ausbildung des Steuerungsmoduls,
8 eine Ausbildung des Steuerungsmoduls, bei der die beiden Rückschlagventile beidseitig des Steuerschiebers radial verlaufen, wobei die Steuerkolben als radiale Vorsprünge ausgebildet sind,
9 eine um 90° gedrehte Schnittansicht des Steuerungsmoduls der 4, aus der eine Wegbegrenzung und Verdrehsicherung des Steuerschiebers hervorgehen,
10 eine Ausbildung des Steuerungsmoduls, bei der die beiden Rückschlagventile beidseitig des Steuerschiebers radial verlaufen, wobei die Steuerkolben rotationssymmetrisch ausgebildet sind, und
11 ein Diagramm, in welchem die Drücke p_GKS und p_MKS der beiden Druckräume über den unterschiedlichen Kurbelwinkeln einer Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgetragen sind.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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 Pleuellagerauge 6, über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle lagerbar ist. Dieser das Pleuellagerauge 6 bildende Teil des Pleuels 1 wird nachfolgend auch als Pleuellagergehäuse 5 bezeichnet. Das Pleuellagerauge 6 weist im Übrigen eine Längsmittelachse 7 auf. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 3 mit einem Pleuelauge 8 versehen, in welchem über einen Exzenterkörper 9 ein nicht näher dargestellter Kolbenbolzen wiederum in einem innerhalb des Exzenterkörpers 9 exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenlager 10 anordenbar 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.
Der Exzenterkörper 9 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzenlager 10 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.
Dabei sind die Kolbenstangen 14 und 15 jeweils schwenkbar über einen Bolzen 11a, 11b mit den Laschen 12 und 13 verbunden. 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.
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 aufweist. In die Druckräume 22 bzw. 23 kann als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 6 angeordneten Pleuellager über Ölleitungen 24 und 25 einströmen. Weiterhin geht von dem Pleuellager eine Fluidbohrung 26 aus, die genau wie die Ölleitungen 24 und 25 mit einem Steuerungsmodul 27 verbunden ist.
Im Rahmen der gesamten Offenbarung sind unter Leitungen Bohrungen oder Kanäle, die das Druckmittel aufnehmen und dieses leiten, zu verstehen. Das Steuerungsmodul 27 ist in eine Aufnahmebohrung des Pleuels 1 eingesetzt und verläuft innerhalb des Pleuelschafts 2, in Querrichtung zu diesem, d.h., parallel zu der Längsmittelachse 7 des Pleuelauges 6 und dem Pleuellagerauge 5. Über eine Führungsbohrung 28 nimmt das Steuerungsmodul 27 einen als Betätigungselement dienenden Steuerschieber 29 auf, der mechanisch über eine nicht näher dargestellte im Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine beweglich geführte Schiebekulisse betätigbar ist.
An der Verbindung der Ölleitungen 24 und 25 mit dem Steuerungsmodul 27 sind in diesem zwei Rückschlagventile 30 und 31 angeordnet, die in der Weise durch den Steuerschieber 29 betätigt werden, die im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren beschrieben ist. An Stelle zweier einfachwirkender Stellkolben 16 und 17 kann auch ein doppeltwirkender Stellkolben vorgesehen sein, wobei dann der entsprechende Exzenterhebel als einarmiger Hebel ausgeführt ist.
Die 2 und 3 zeigen ein Pleuel 32 mit einem in eine Aufnahmebohrung 36 des Pleuellagergehäuses 5 eingesetzten Steuerungsmodul 34. Das Pleuel 32 ist ohne die Bauelemente der zuvor beschriebenen Verstellvorrichtung dargestellt. Das Modulgehäuse 35, das in diesem Fall parallel zur Längsmittelachse 7 des Pleuellagerauges 6 verlaufen soll, weist ein in dessen Längsrichtung verlaufende Führungsbohrung 37 auf, in der ein Steuerschieber 38 verschiebbar geführt ist.
Dieser Steuerschieber 38 ist, wie aus der 3 hervorgeht, als profilierter Steuerpin ausgebildet, d.h., dieser ist mit zwei rotationssymmetrischen Steuerkolben 39 und 40 versehen, zwischen den sich eine Steuernut 41 befindet. Der Steuerschieber 38 wird im Gegensatz zu der Ausführungsform der 1 wechselseitig an seinen Stirnflächen 42 und 43 mit einem Steuerdruck beaufschlagt. Dieser Steuerdruck kann beispielsweise über Ringflächen, die einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle begrenzen, übertragen werden.
Die Ausbildung des Steuerungsmoduls 34 und dessen Funktion wird nachfolgend anhand der 3 bis 7 erläutert. Die nebeneinander angeordneten Rückschlagventile 30 und 31 weisen kugelförmige Sperrkörper 44 und 45 auf, die über Ventilfedern 46 und 47 an Federtellern 48 und 49 abgestützt sind. In Richtung der Steuernut 41 sind an den Steuerkolben 39 und 40 jeweils kegelstumpfartige Rampen 50 und 51 ausgebildet. Ventilsitze 52 und 53 der Rückschlagventile 30 und 31 sind jeweils um ein Maß 54 zueinander versetzt angeordnet. Dadurch werden mittels der Rückschlagventile 30 und 31 massenkraftseitig und gaskraftseitig unterschiedliche Blendenquerschnitte geschaffen.
Gemäß der 5 ist ein Stift 55 in das Modulgehäuse eingesetzt, der als axiale Wegbegrenzung des Steuerschiebers 38 in die Steuernut 41 eingreift. Im Gegensatz dazu sind gemäß der 7 zwei Stifte 56 und 57 als axiale Wegbegrenzung vorgesehen, an die jeweils eine der beiden Stirnflächen 42 und 43 anschlägt.
Gemäß den 8 bis 9 sind Rückschlagventile 58 und 59 beidseitig eines Steuerschiebers 60 angeordnet. Außerdem sind zwei Fluidbohrungen 26a und 26b vorgesehen, über die jeweils eines der beiden Rückschlagventile 58 bzw. 59 druckabhängig betätigt wird und in die Druckmittel aus der Verstellvorrichtung strömen kann. Nach der 8 ist der Steuerschieber 63 nicht rotationssymmetrisch ausgebildet, sondern weist stattdessen radiale Steuervorsprünge 64 und 65 auf, die ebenfalls mit Rampen 66 und 67 versehen sind.
In der 9 ist dieser Steuerschieber 63 mit einem in eine Längsnut 68 eingreifenden Stift 69 versehen, der sowohl als axiale Wegbegrenzung als auch als Verdrehsicherung dient. Nach der 10 ist der Steuerschieber 40 wiederum rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei aber neben den Fluidleitungen 26a und 26b Abströmkanäle 61 und 62 mit Blendenbohrungen 61a und 62a vorgesehen sind.
Schließlich zeigt die 11 ein Diagramm, in welchem die Drücke p_GKS und p_MKS der beiden Druckräume über den unterschiedlichen Kurbelwinkeln einer Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgetragen sind. Dabei ist mit einer gestrichelten Linie ein Druckverlauf in dem gaskraftseitigen Druckraum 22 bezeichnet, während eine durchgezogene Linie einen massenkraftseitigen Druckverlauf des Druckraumes 23 bezeichnet. Ferner werden durch gestrichelte Linien auf der Abzisse zwei Bereiche 66 und 67 des Kurbelwinkels angegeben, in denen jeweils eines der beiden Rückschlagventile 30 mechanisch durch den Steuerschieber 29, 38, 60 geöffnet wird. In einem Bereich 66 wird das massenkraftseitige Rückschlagventil 31 geöffnet, so dass der massenkraftseitige Druckraum 23 drucklos ist. Somit kann sich der entsprechende Druck nicht auf die am Steuerschieber auftretende Reibung auswirken. Im Bereich 67 wird der gaskraftseitige Druckraum 22 durch das Rückschlagventil 30 für ein Abströmen des Druckmittels geöffnet. Dabei hebt der Sperrkörper 44, also die Kugel, bei einem Druck p_GKS von etwa 50 bar von ihrem Sitz ab.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
2: Pleuelschaft
3: Pleueloberteil
4: Pleuelunterteil
5: Pleuellagergehäuse
6: Pleuellagerauge
7: Längsmittelachse von 6
8: Pleuelauge
9: Exzenterkörper
10: Kolbenbolzenlager
11: Exzenterhebel
11a: Bolzen
11b: Bolzen
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: Fluidbohrung
26a: Fluidbohrung
26b: Fluidbohrung
27: Steuerungsmodul
28: Führungsbohrung
29: Steuerschieber
30: Rückschlagventil
31: Rückschlagventil
32: Pleuel
34: Steuerungsmodul
35: Modulgehäuse
36: Aufnahmebohrung
37: Führungsbohrung
38: Steuerschieber
39: Steuerkolben von 38
40: Steuerkolben von 38
41: Steuernut von 38
42: Stirnfläche von 38
43: Stirnfläche von 38
44: kugelförmiger Sperrkörper
45: kugelförmiger Sperrkörper
46: Ventilfeder
47: Ventilfeder
48: Federteller
49: Federteller
50: kegelstumpfartige Rampe
51: kegelstumpfartige Rampe
52: Ventilsitz
53: Ventilsitz
54: Maß des radialen Versatzes von 52 und 53
55: Stift
56: Stift
57: Stift
58: Rückschlagventil
59: Rückschlagventil
60: Steuerschieber
61: Abströmkanal
61a: Blendenbohrung von 61
62: Abströmbohrung
62a: Blendenbohrung von 62
63: Steuerschieber
64: radiale Steuervorsprünge
65: radiale Steuervorsprünge
66: Bereich des Drehwinkels der Kurbelwelle
67: Bereich des Drehwinkels der Kurbelwelle
68: Längsnut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013113432 A1 [0009, 0017]

Claims

Umschalteinrichtung zur Steuerung einer Verstellvorrichtung, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine veränderbar ist, wobei die Umschalteinrichtung über Ölleitungen (24 und 25) mit zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbaren Druckräumen (22 und 23) zumindest eines Stützzylinders (20, 21) der Verstellvorrichtung und über ein Pleuellager mit einer Ölgalerie verbunden ist, wobei für ein Abströmen des Hydraulikfluids aus dem jeweiligen Druckraum (22, 23) ein dessen Ölleitung (24, 25) zugeordnetes Sitzventil mittels eines Betätigungselements der Umschalteinrichtung betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem jeweiligen Druckraum (22 und 23) eine einzige Ölleitung (24, 25) verbunden ist, über die diesem sowohl Hydraulikfluid zuführbar als auch aus diesem ableitbar ist, und dass das entsprechend Sitzventil als mit der jeweiligen Ölleitung (24, 25) zusammenwirkendes Rückschlagventil (30, 31, 58, 59) ausgebildet ist, in dessen druckabhängig geöffneter Stellung das Hydraulikfluid über die Ölleitung (24, 25) in den entsprechenden Druckraum (22, 25) gefördert wird.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung und die Rückschlagventile (30, 31, 58, 59), zu einem hydraulischen Steuerungsmodul (27, 34) zusammengefasst, in einem Modulgehäuse (35) angeordnet sind, das in eine parallel zu einer Längsmittelachse (7) des Pleuellagerauges (6) verlaufende Aufnahmebohrung (35) eines Pleuels (1) einsetzbar ist, dass in einer Führungsbohrung (37) des Modulgehäuses (35), die im Wesentlichen parallel oder quer zu dessen Längsmittelachse verläuft, das als profilierter Steuerschieber (29, 38, 60) ausgebildete Betätigungselement angeordnet ist, und dass die beiden Rückschlagventile (30, 31, 58, 59) quer zum Steuerschieber (29, 38, 60) angeordnet sind.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung und die Rückschlagventile in einem Steuerungsmodul (27) angeordnet sind, dessen Modulgehäuse zumindest abschnittsweise eine zylindrische Außenkontur und zur Aufnahme des als profilierter Steuerschieber (29) ausgebildeten Betätigungselements eine als quer verlaufende Durchgangsbohrung ausgebildete Führungsbohrung (28) aufweist, und dass das Steuerungsmodul (27) mit dem zylindrischen Abschnitt in eine Aufnahmebohrung, die im Pleuel (1), quer zu einer Längsmittelachse (7) des Pleuellagerauges (6) verläuft, einsetzbar ist.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement mechanisch oder hydraulisch betätigbar ist.
Umschalteinrichtung nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (29, 38) zumindest zwei miteinander verbundene Steuerkolben (38, 40) aufweist, die zumindest an einem jeweils einem Sperrkörper (44, 45) des entsprechenden Rückschlagventils (30, 31, 58, 59) benachbarten Abschnitts der Außenmantelfläche einen, in axialer Richtung gesehen, rampenartigen Verlauf (50, 51) aufweisen.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile (30, 31, 58, 59) in einer Längsebene, einander benachbart, radial in das Modulgehäuse (35) eingesetzt sind.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rückschlagventile (58, 59) beidseitig des Steuerschiebers (38, 60) radial verlaufen und die beiden Steuerkolben (39, 40, 64, 65) spiegelbildlich ausgebildet und angeordnet sind.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung unterschiedlicher Blendenquerschnitte der beiden Rückschlagventile (30, 31, 58, 59) deren Ventilsitze (52, 53) mit unterschiedlichem radialen Abstand zur Längsmittelachse des Steuerschiebers (29, 38, 60) vorgesehen sind.
Umschalteinrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Modulgehäuse (35) zumindest ein sich radial in Richtung des Steuerschiebers (38, 60) erstreckender Stift (55, 56, 57) befestigt ist, der zur Verdrehsicherung und/oder axiale Wegbegrenzung in zumindest eine Längsnut (68) des Steuerschiebers (38, 60) oder in einen Freiraum an dessen Stirnseiten (42, 43) eingreift.
Pleuel (1, 32) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der entsprechenden Zylindereinheit mittels einer Verstellvorrichtung in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, mit wenigstens einer hydraulischen Stelleinrichtung der Verstellvorrichtung, die einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge (8) des Pleuels (1, 32) angeordneten, mit einem Exzenterhebel (11) verbundenen Exzenterkörper (9), wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume (22, 23) zumindest eines Stützzylinders (20, 21), in dem ein Stellkolben (16, 17) verschiebbar geführt ist, und wenigstens eine Kolbenstange (14, 15) aufweist, die den Stellkolben (16, 17) mit dem Exzenterhebel (11) verbindet, wobei zur Steuerung der Verstellvorrichtung eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Umschalteinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9.