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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Hydraulikmodul zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge sowie einen Pleuel mit einer derartigen Hydraulikanordnung.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuelstangenlänge bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hydraulikmodul für einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge zu schaffen, welche ein stabiles Betriebsverhalten aufweist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, einen verbesserten Pleuel mit einem solchen Hydraulikmodul zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 eine erste Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls;
- 2 eine Vorderansicht des Hydraulikmoduls gemäß 1;
- 3 eine zweite Seitenansicht des Hydraulikmoduls gemäß 1;
- 4 eine perspektivische Darstellung des Hydraulikmoduls gemäß 1;
- 5 einen Längsschnitt A-A des Hydraulikmoduls gemäß 1 in einer Grundstellung;
- 6 einen Längsschnitt D-D des Hydraulikmoduls gemäß 1 in der Grundstellung;
- 7 einen Längsschnitt E-E des Hydraulikmoduls gemäß 1 in der Grundstellung;
- 8 einen Längsschnitt F-F des Hydraulikmoduls gemäß 1 in der Grundstellung;
- 9 einen Längsschnitt G-G des Hydraulikmoduls gemäß 1 in der Grundstellung;
- 10 einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Pleuels mit dem Hydraulikmodul gemäß 1 in der Grundstellung;
- 11 eine vergrößerte Darstellung des Längsschnitts D-D des Hydraulikmoduls gemäß 1 in der Grundstellung und
- 12 eine vergrößerte Darstellung des Längsschnitts D-D des Hydraulikmoduls gemäß 1 in einer Endlage des Rotors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Den 1 bis 9, 11 und 12 ist ein erfindungsgemäßes Hydraulikmodul 10 in verschiedenen Darstellungen und Schnitten zu entnehmen.
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Der erfindungsgemäße Pleuel
1 ist lediglich schematisch im hydraulischen Schaltplan gemäß
10 dargestellt, beispielsweise jedoch aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt.
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Der Pleuel
1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung weist beispielsweise eine nicht gänzlich und im Detail dargestellte Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge auf. Diese Exzenter-Verstelleinrichtung umfasst einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder als Hydraulikkammern
4,
5. Das als Umschaltventil ausgebildete und funktionierende Hydraulikmodul
10 weist jeweils einen der ersten und der zweiten Hydraulikkammer
4,
5 zugeordneten Arbeitsanschluss
6,
7 zum Zu- bzw. Ableiten von Hydraulikflüssigkeit und einen Versorgungsanschluss
8 auf, wobei die Hydraulikkammern
4,
5 in Abhängigkeit von Stellungen des Hydraulikmoduls
10 wahlweise befüll- oder entleerbar sind. Die grundsätzliche Funktion des Umschaltventils ist ebenfalls aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt.
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Der erste Zylinder stellt dabei eine erste Hydraulikkammer 4 auf der Gaskraftseite (GKS) des Pleuels 1 dar, während der zweite Zylinder eine zweite Hydraulikkammer 5 auf der Massenkraftseite (MKS) des Pleuels 1 darstellt.
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In der dargestellten Grundstellung des Hydraulikmoduls 10 ist ein erster Zulauf 9 der ersten Hydraulikkammer 4 mit dem Versorgungsanschluss 8 verbunden und ein erster Ablauf 11 ist geschlossen, so dass die erste Hydraulikkammer 4 in dieser Grundstellung (erste Stellung S1) mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt wird. Ein zweiter Zulauf 12 der zweiten Hydraulikkammer 5 ist ebenfalls mit dem Versorgungsanschluss 8 verbunden. Da jedoch ein zweiter Ablauf 13 ebenfalls mit dem Versorgungsanschluss 8 verbunden ist, kann sich die zweite Hydraulikkammer 5 entleeren. Die aus der zweiten Hydraulikkammer 5 herausfließende Hydraulikflüssigkeit wird dabei der ersten Hydraulikkammer 4 zugeleitet. In einer zweiten Stellung S2 des Hydraulikmoduls 10, welche einer nachfolgend beschriebenen Endlage des Hydraulikmoduls 10 entspricht, erfolgt entsprechend die Befüllung der zweiten Hydraulikkammer 5 und die Entleerung der ersten Hydraulikkammer 4.
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Den Hydraulikkammern 4, 5 ist jeweils im Zulauf 9, 12 ein Rückschlagventil 14, 15 zugeordnet, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 4, 5 ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Hydraulikkammern 4, 5 verhindert. Vorteilhaft sind im Rahmen der Erfindung lediglich zwei Rückschlagventile 14, 15 notwendig. Weitere Rückschlagventile müssen nicht vorgesehen werden. Die Zu- und Abläufe 9, 12 und 11, 13 sind im Hydraulikmodul 10 vorteilhafterweise jeweils als kombinierter Kanal für Zu- und Ablauf von Hydraulikflüssigkeit ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 6 ersichtlich ist, ist das Hydraulikmodul 10 als Rotationsventil ausgebildet und weist in einem Gehäuse 16 einen Stator 17 und einen relativ zu dem Stator 17 drehbar gelagerten Rotor 18 auf. Erfindungsgemäß ist das Zu- und Ableiten von Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit von Rotorstellungen steuerbar.
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Die Arbeitsanschlüsse 6 und 7 sowie der Versorgungsanschluss 8 sind jeweils als umlaufende Ringnuten im Gehäuse 16 des Hydraulikmoduls 10 ausgebildet, in welche jeweils ein oder mehrere den Anschlüssen 6, 7, 8 zugeordnete Kanäle und Öffnungen münden.
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Wie aus 5 und 6 ersichtlich ist, sind dem Versorgungsanschluss 8 zwei Öffnungen 19 zugeordnet, welche als Querbohrungen im Gehäuse 16 ausgebildet sind. Diese Öffnungen 19 münden in Druckkammer 20, die zwischen dem Stator 17 und dem Rotor 18 ausgebildet sind. Die Druckkammern 20, deren Anzahl grundsätzlich variabel ist, sind durch nicht näher bezeichnete Stege des Stators 17 und nicht näher bezeichnete Flügel des Rotors 18 gebildet. Die Druckkammer 20 sind jeweils durch einen Querkanal 21 mit einem Längskanal 22 verbunden, welcher sich zentral in axialer Richtung durch den Rotor 18 erstreckt und als Sacklochbohrung ausgebildet ist. Ausgehend von dem Längskanal 22 weist der Rotor 18 ein oder mehrere Kanäle 23, 24 auf, welche in Abhängigkeit einer Rotorstellung als Zu- und Ablauf der Arbeitsanschlüsse 6, 7 dienen.
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Der Rotor 17 wird mittels eines Federelementes 25 in eine Grundstellung, d.h. einer ersten Stellung S1 des Hydraulikmoduls 10 vorgespannt gehalten. Hierfür ist ein erstes Federende 26 an einem Fortsatz 27 des Rotors 18 und ein zweites Federende 28 unmittelbar oder über einen Deckel 29 mittelbar an dem Gehäuse 16 festgelegt.
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Die Rückschlagventile 14, 15 sind jeweils als Bandfeder 32, 33 ausgebildet und mittels Verdrehsicherungen 30, 31 in den Ringnuten der Arbeitsanschlüsse 6, 7 positioniert, wobei die Verdrehsicherungen 30, 31 zusätzlich als Drosseln ausgebildet sind und einen gedrosselten Ablauf der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 4, 5 erlauben, sobald der Rotor 18 eine entsprechende Lage einnimmt. Wie insbesondere aus dem 7 und 8 ersichtlich ist, sind die Bandfedern 32, 33 derart positioniert, dass sie in geschlossenem Zustand den Arbeitsanschlüssen 6, 7 zugeordnete Öffnungen 34, 35 des Gehäuses 16 verdecken und damit verschließen. Die Bandfedern 32, 33 übernehmen dabei eine dichtende und rückstellende Funktion. Bei erhöhtem Innendruck ermöglichen die Bandfedern 32, 33 ein Befüllen der Hydraulikkammern 4, 5.
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Die Kanäle 23, 24 des Rotors 18 münden in nicht gänzlich umlaufende Ringnuten 36, 37, die beispielsweise aus den 7 bis 9 ersichtlich sind. In der gezeigten Grundstellung befindet sich die Ringnut 36 im Bereich der Verdrehsicherung 30 des Arbeitsanschlusses 7 der zweiten Hydraulikkammer 5 (siehe 5 und 7). Die zweite Hydraulikkammer 5 ist damit über den Längskanal 22, den Kanälen 23, die Ringnut 36 und die Öffnungen 35 mit dem Versorgungsanschluss 8 verbunden. Gleichzeitig kann die Hydraulikflüssigkeit durch die Verdrehsicherung 30 gedrosselt entleert werden, so dass sich kein Hydraulikdruck in der zweiten Hydraulikkammer 5 aufbaut.
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Wie aus 8 ersichtlich ist, ist dagegen die Verdrehsicherung 31 der ersten Hydraulikkammer 4 durch die Stellung des Rotors 18 nicht mit der Ringnut 37 verbunden, so dass die erste Hydraulikkammer 4 über den Längskanal 22, die Kanäle 24, die Ringnut 37 und die Öffnungen 34 befüllt werden kann.
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Bei Entleerung der Hydraulikkammer 4 bzw. 5 wird die Hydraulikflüssigkeit wieder in den Längskanal 22 geleitet und steht somit zusätzlich zur Befüllung der zu befüllenden Hydraulikkammer 5 bzw. 4 zur Verfügung. Hierdurch erfolgt die Befüllung nicht ausschließlich durch ein Ansaugen aus dem Versorgungsanschluss 8, da die zu befüllende Hydraulikkammer 5 bzw. 4 jeweils mit der Hydraulikflüssigkeit der zu entleerenden Hydraulikkammer 4 bzw. 5 sozusagen vorgespannt wird. Ein Einsaugen von Luft kann hierdurch verhindert werden.
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11 zeigt den Schnitt D-D des Hydraulikmoduls 10 in vergrößerter Darstellung in der Grundstellung. Wie bereits ausgeführt sind Druckkammern 20 mittels Stegen 38, 39 des Stators 17 und Flügel 40 des Rotors 18 gebildet. Die Flügel 40 des Rotors 18 weisen den Druckkammern 20 zugewandt eine Stufe 44 auf, so dass jeweils eine erste Wirkfläche 41 und eine zweite Wirkfläche 42 entstehen. Die zweiten Wirkflächen 42 sind größer ausgebildet als die ersten Wirkflächen 41. Wie ersichtlich ist, sind in der Grundstellung des Rotors 18 nur die ersten Wirkflächen 41 mit Hydraulikdruck beaufschlagt.
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Durch die beiden Öffnungen 19 im Gehäuse 16 tritt Hydraulikflüssigkeit, welche z.B. von einer Lagerschale des Pleuels 1 zum Hydraulikmodul 10 gelangt, in die Druckkammern 20 ein. Die Querkanäle 21 im Rotor 18 verbinden die Druckkammern 20 miteinander. Somit ist gewährleistet, dass unabhängig von der Stellung des Hydraulikmoduls 10 im Pleuel 1, ein Hydraulikstrom in die Druckkammern 20 fließen kann und in diesen der gleiche Druck pg' anliegt. Dieser Druck entspricht einem Galeriedruck pg, welcher durch die Drosselwirkung pv der Lagerschale und der Versorgungsbohrung vermindert wird. Damit gilt: pg' = pg - pv
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Die Grund- bzw. Ausgangsstellung ist die in 11 gezeigte Stellung. Der anliegende Hydraulikdruck greift an den wirksamen ersten Wirkflächen 41 an. Das daraus resultierende Drehmoment bewegt den Rotor 18 gegen das Federmoment des Federelementes 25. Während der Drehbewegung entsteht durch die vorliegende Geometrie des Rotors 18 und des Stators 17 jeweils eine zusätzliche Druckkammer 43. In dieser Druckkammer 43 herrscht zunächst ein niedrigerer Druck pb solange sich die Stufe 44 noch im Bereich des Steges 39 befindet und die Druckkammern 20 und 43 voneinander getrennt sind. Sobald sich der Rotor 18 über eine Schaltpunkt hinaus bewegt hat, d.h. sich die Stufe 44 aus dem Bereich des Steges 39 hinaus bewegt hat, wird sich der Druck in der Druckkammer 43 dem Druck der Druckkammer 20 angleichen, sodass dort auch pg' anliegt. Ab diesem Zeitpunkt wird auch die zweite Wirkfläche 42 wirksam und durch die Vergrößerung der gesamten Wirkfläche wird das resultierende Drehmoment schlagartig größer. Das Federmoment wird komplett überwunden und der Rotor 18 dreht sich in seine Endlage, die in 12 dargestellt ist.
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Bei Abnahme von pg' dreht sich der Rotor 18 aufgrund der größeren Wirkflächen 41 + 42 erst ab einem stark niedrigeren Druckniveau. Sobald die Umschaltstellung wieder erreicht wurde, reagiert das System analog.
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Dieses bistabile Verhalten kann durch Variation der Tiefe und der Durchmesser der Druckkammer 20 im Zusammenspiel mit der Auswahl des Federelementes 25 eingestellt werden, sodass es gewünschten Schaltdrücken entspricht.
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Die Abdichtung zwischen Rotor 18 und Stator 17 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels metallischen Spaltdichtungen. Möglich ist jedoch auch der Einsatz von zusätzlich in den Flügeln 40 bzw. den Stegen 38, 39 eingesetzten Dichtelementen bzw. Dichtlippen.
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Das erfindungsgemäße Hydraulikmodul 10 ist eine mögliche konstruktive Lösung für das Vorspannen einer oder beider Hydraulikkammern 4, 5 kombiniert mit einem hydraulischen Umschaltventil und integrierten Rückschlagventilen 14, 15.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107127 A1 [0011, 0012]
