DE102018107076A1

DE102018107076A1 - Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung sowie Pleuel

Info

Publication number: DE102018107076A1
Application number: DE102018107076.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mudra; Wolfgang Rupp
Original assignee: Eco Holding 1 GmbH
Current assignee: Eco Holding 1 GmbH
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-12-27
Also published as: DE102018115275A1; CN109139246A; WO2019002250A1; CN109139246B; US20180371987A1; US10598088B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil (5) zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung (2) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, Das Umschaltventil (5) weist einen in einem Gehäuse (34) beweglichen Stufenkolben (28) auf, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung (S1) oder eine zweite Schaltstellung (S2) verlagerbar ist. In der ersten Schaltstellung (S1) ist der Ablauf (21) eines zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung (S2) der Ablauf (20) eines ersten Zylinders mit einer Versorgungsquelle (P) verbunden. Die Zylinder sind derart verbunden, dass in der zweiten Schaltstellung (S2) Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder direkt und ungedrosselt über das Umschaltventil (5) leitbar ist.Die Erfindung betrifft ferner einen Pleuel (1) mit einem Umschaltventil (5).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil 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 einem derartigen Umschaltventil.
Stand der Technik
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 Pleuellänge bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Umschaltventil für einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge zu schaffen, welches hinsichtlich der Herstellbarkeit verbessert ist. Gleichzeitig soll eine hydraulische Aktuierung des Umschaltventils verbessert werden.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen verbesserten Pleuel mit einem solchen Umschaltventil zu schaffen.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Umschaltventil vorgeschlagen zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung wenigstens einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder mit Hydraulikkammern aufweist und wobei sowohl jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder aus einer Versorgungsquelle als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern vorgesehen sind. Das Umschaltventil weist einen in einem Gehäuse beweglichen Stufenkolben auf, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung oder eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist. In der ersten Schaltstellung ist der Ablauf des zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung der Ablauf des ersten Zylinders mit der Versorgungsquelle verbunden. Den Zylindern ist jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern verhindert. Die Zylinder sind derart verbunden, dass in der zweiten Schaltstellung Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder direkt und ungedrosselt über das Umschaltventil leitbar ist.
Das erfindungsgemäße Umschaltventil ermöglicht eine hydraulische Anordnung beim Betrieb eines Pleuels mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche gewährleistet, dass in einer Schaltstellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) der Brennkraftmaschine das System in einem hydraulisch vorgespannten Zustand vorliegt. Das bedeutet, dass Hydraulikfluid, beispielsweise Motoröl, aus einer größeren Hydraulikkammer auf einer Gaskraftseite (GKS-Hydraulikkammer) des verstellbaren Pleuels direkt in eine kleinere Hydraulikkammer auf einer Massenkraftseite (MKS-Hydraulikkammer) geleitet wird. Dabei kann überschüssiges Öl über eine Drosselstelle in die Lagerschale abgeführt werden.
Gleichzeitig kann für den Schaltvorgang von der niedrigen Verdichtung (ε_low ) nach der hohen Verdichtung (ε_high ) gewährleistet werden, dass das System stets mit einer ausreichenden Menge Öl versorgt wird, sodass der Öldruck nicht zu weit einbricht. Ein Druckeinbruch kann direkt zu einem Ausgasen von Luft aus dem Öl führen, wodurch das System die hydraulische Vorspannung verliert. Dies könnte eine Destabilisierung des Exzenterhebelsystems zur Folge haben. Mit dem erfindungsgemäßen Umschaltventil kann vermieden werden, dass der Exzenterhebel während einer Umdrehung der Kurbelwelle eine große Amplitude ausführt, welche zu nahezu ungedämpften Schlägen der Stützkolben auf den Kammerboden oder die Ölsäule führt und schließlich sehr hohe Druckspitzen im System verursacht.
So kann auch vorteilhaft vermieden werden, dass der gesamte Zulauf aus der Versorgungsquelle gedrosselt werden muss, womit auch die Aktuierung des Umschaltventils gedrosselt würde.
Das Umschaltventil stellt einen bistabilen Schalter dar, dessen Funktionsweise einen Stufenkolben mit zwei Endpositionen aufweist, welcher jeweils eine Ablaufbohrung der Hydraulikkammern öffnet oder schließt. Der Ablauf der MKS-Hydraulikkammer wird dabei von dem Umschaltventil gedrosselt, der Ablauf der GKS-Hydraulikkammer ist nicht gedrosselt. Wenn der Galeriedruck der Versorgungsquelle, der an einer ersten Druckfläche des Stufenkolbens bei hoher Verdichtung (ε_high ) anliegt, einen bestimmten Wert überschreitet, beginnt sich der Stufenkolben zu bewegen. Ab einem bestimmten Weg des Stufenkolbens wird eine zweite Druckfläche hinzugeschaltet und der Stufenkolben springt in die Endposition für niedrige Verdichtung (ε_low ). Der Druck, um den Stufenkolben wieder zurückzuschalten, liegt wesentlich niedriger als der Druck, der erforderlich war, um den Stufenkolben in die Stellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) zu bewegen. Dadurch entsteht ein Bereich, in dem beide Kolbenpositionen stabil gehalten werden können, welcher als bistabiler Bereich bezeichnet wird.
In der Stellung für hohe Verdichtung (ε_high ) ist die Ablaufbohrung der MKS-Hydraulikkammer mit der Versorgungsquelle verbunden. Ablaufendes Öl aus der MKS-Hydraulikkammer kann von der GKS-Hydraulikkammer über das Rückschlagventil direkt wieder aufgenommen werden. Ist das MKS-Hydraulikkammervolumen kleiner als das GKS-Hydraulikkammervolumen, wird das Differenzvolumen an Öl über das versorgungsseitige Rückschlagventil nachgefördert. Der Ablauf aus der MKS-Hydraulikkammer erfolgt gedrosselt, um die Verstellgeschwindigkeit von der Stellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) in die Stellung für hohe Verdichtung (ε_high ) zu begrenzen.
In der Stellung für hohe Verdichtung (ε_high ) ist die Ablaufbohrung der GKS-Hydraulikkammer verschlossen. Leckageöl, das am Stufenkolben auftreten kann, kann durch Bohrungen in den üblicherweise vorgesehenen Verschlussdeckeln des Umschaltventils in Richtung des Tanks abfließen.
In der Stellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) wird das Öl aus der GKS-Hydraulikkammer auf Grund der Bohrungen im Pleuel direkt ungedrosselt vor das Rückschlagventil der MKS-Hydraulikkammer geleitet. Auf diese Weise kann die Energie, die aus den Druckkräften am Pleuel resultiert, genutzt und vor dem Rückschlagventil der MKS-Hydraulikkammer ein hohes Druckpotential erzeugt werden, welches anschließend auch in der MKS-Hydraulikkammer vorliegt. Dadurch wird die MKS-Hydraulikkammer hydraulisch vorgespannt und die Steifigkeit und/oder Lagestabilität des Pleuels über den Motorzyklus erhöht.
Die hydraulische Anordnung kann beispielsweise vorteilhaft angewendet werden, wenn die GKS-Hydraulikkammer ein größeres Volumen aufweist als die MKS-Hydraulikkammer. Dadurch entsteht vor dem Rückschlagventil der MKS-Hydraulikkammer immer mehr Öl zu Verfügung als die MKS-Hydraulikkammer aufnehmen kann. Das Differenzvolumen an Öl kann über eine Drossel, die ein ungedrosseltes Ablaufen des Öls aus der GKS-Hydraulikkammer verhindert, in Richtung der Versorgungsquelle abgeleitet werden. Dadurch kann die Verstellgeschwindigkeit des Pleuels in Richtung der Stellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) begrenzt werden.
Das erfindungsgemäße Umschaltventil weist dafür einen zusätzlichen Kanal zur Versorgung der MKS-Hydraulikkammer auf und ist vorzugsweise als 4/2 Wege-Ventil ausgestaltet. Eingangskanäle des Umschaltventils sind die beiden Ablaufkanäle der GKS-Hydraulikkammer und der MKS-Hydraulikkammer, welche in den zwei Schaltstellung wahlweise auf die Versorgungsquelle und den Zulauf der MKS-Hydraulikkammer geschaltet werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kammervolumen der zweiten Hydraulikkammer kleiner als ein Kammervolumen der ersten Hydraulikkammer sein und die zweite Hydraulikkammer hydraulisch vorspannbar sein. Beispielsweise kann die GKS-Hydraulikkammer ein größeres Volumen aufweisen als die MKS-Hydraulikkammer. Dadurch entsteht vor dem Rückschlagventil der MKS-Hydraulikkammer immer mehr Öl zu Verfügung als die MKS-Hydraulikkammer aufnehmen kann. Das Differenzvolumen an Öl kann über eine Drossel, die ein ungedrosseltes Ablaufen des Öls aus der GKS-Hydraulikkammer verhindert, in Richtung der Versorgungsquelle abgeleitet werden. Dadurch kann die Verstellgeschwindigkeit des Pleuels in Richtung der Stellung für niedrige Verdichtung (ε_low ) begrenzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben Tankablaufbohrungen aufweisen, welche in der ersten Schaltstellung mit einem Tank verbunden sind, so dass eine erste Druckfläche, insbesondere eine große erste Druckfläche, des Stufenkolbens druckentlastet ist. Wenn der Galeriedruck der Versorgungsquelle, der an einer ersten Druckfläche des Stufenkolbens bei hoher Verdichtung (ε_high ) anliegt, einen bestimmten Wert überschreitet, beginnt sich der Stufenkolben zu bewegen. Ab einem bestimmten Weg des Stufenkolbens wird eine zweite Druckfläche hinzugeschaltet und der Stufenkolben springt in die Endposition für niedrige Verdichtung (ε_low ).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Tankablaufbohrungen als Radialbohrungen in dem Stufenkolben ausgebildet sein und/oder können die Tankablaufbohrungen über den Umfang des Stufenkolbens verteilt angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, dass das Umschaltventil die Funktion des bistabilen Schalters günstig erfüllen kann, dessen Funktionsweise einen Stufenkolben mit zwei Endpositionen aufweist, welcher jeweils eine Ablaufbohrung der Hydraulikkammern öffnet oder schließt. Der Ablauf der MKS-Hydraulikkammer kann dabei von dem Umschaltventil gedrosselt, der Ablauf der GKS-Hydraulikkammer nicht gedrosselt erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Tankablaufbohrungen mit wenigstens einem Überströmkanal im Gehäuse über eine umlaufende Nut verbindbar sein. Dadurch kann das Öl ungehindert über die Tankablaufbohrungen abfließen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der ersten Schaltstellung der wenigstens eine Überströmkanal mit einem Tank verbindbar sein. Auf diese Weise wirkt in der ersten Schaltstellung nur die erste Druckfläche am Stufenkolben, um diesen in Bewegung zu setzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der zweiten Schaltstellung der wenigstens eine Überströmkanal mit einer Versorgungsquelle verbindbar sein. Auf diese Weise können in der zweiten Schaltstellung beide Druckflächen am Stufenkolben wirken, um diesen zu bewegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben über eine Spiralfeder an einem Verschlussdeckel des Gehäuses abgestützt sein. Der Stufenkolben steht so unter der mechanischen Vorspannung durch die Spiralfeder und kann vom Hydraulikdruck auf die Druckflächen gegen diese Vorspannung bewegt werden. Dadurch kann die Funktion des bistabilen Schalters realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Verschlussdeckel mit dem Gehäuse über Schweißen oder Bördeln oder Einpressen verbunden sein. Durch diese Fügeverfahren ist es möglich, den Verschlussdeckel auf günstige Weise an dem Gehäuse des Umschaltventils zu befestigen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Verschlussdeckel Bohrungen aufweisen, welche mit dem Tank verbunden sein. Dadurch ist es möglich, dass Leckageöl, das am Stufenkolben auftritt, in einfacher Weise in Richtung des Tankabflusses abfließen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben über einen Hydraulikdruck auf eine erste Druckfläche aus der ersten Schaltstellung heraus betätigbar sein. So kann der Stufenkolben, wenn der Hydraulikdruck einen bestimmten vorgegebenen Wert, der durch die Stärke der Spiralfeder festgelegt ist, überschreitet, in Bewegung gesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben über einen Hydraulikdruck auf die erste Druckfläche und eine zweite Druckfläche in die zweite Schaltstellung betätigbar sein. So kann der Stufenkolben, wenn der Hydraulikdruck einen weiteren bestimmten vorgegebenen Wert, der durch die Stärke der Spiralfeder festgelegt ist, überschreitet, in seine Endposition in der zweiten Schaltstellung springen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem Ablauf des zweiten Zylinders eine Drosselstelle angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Verstellgeschwindigkeit des Pleuels in Richtung niedriger Verdichtung (ε_low) begrenzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Umschaltventil als hydraulisch betätigbares 4/2-Wege-Ventil ausgebildet sein. Eingangskanäle des Umschaltventils sind die beiden Ablaufkanäle der GKS-Hydraulikkammer und der MKS-Hydraulikkammer, welche in den zwei Schaltstellung wahlweise auf die Versorgungsquelle und den Zulauf der MKS-Hydraulikkammer geschaltet werden können.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorgeschlagen. Dabei ist es möglich, ein Pleuel mit einem Umschaltventil wie vorstehend beschrieben zu verwenden. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist wenigstens einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder mit Hydraulikkammern auf und es sind sowohl jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder aus einer Versorgungsquelle als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern vorgesehen. Das Umschaltventil weist einen in einem Gehäuse beweglichen Stufenkolben auf, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung oder eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist. In der ersten Schaltstellung ist der Ablauf des zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung der Ablauf des ersten Zylinders mit der Versorgungsquelle verbunden. Den Zylindern ist jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern verhindert. Die Zylinder sind derart verbunden, dass in der zweiten Schaltstellung Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder direkt und ungedrosselt über das Umschaltventil leitbar ist.
Dadurch kann ein vorteilhafter Verbrennungsprozess und damit niedrigerer Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine umgesetzt werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung 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.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Pleuels mit eingezeichneter Schnittebene B-B;
2 einen Längsschnitt entlang der Schnittebene B-B durch den Pleuel gemäß 1;
3 eine erste Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Umschaltventils mit eingezeichneter Schnittebene C-C;
4 eine zweite Seitenansicht des erfindungsgemäßen Umschaltventils gemäß 1 mit eingezeichneten Schnittebenen A-A und B-B;
5 einen Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A des Umschaltventils gemäß 4 in einer ersten Schaltstellung;
6 einen Längsschnitt entlang der Schnittebene B-B des Umschaltventils gemäß 4 in einer ersten Schaltstellung;
7 eine isometrische entlang der Schnittebene C-C teilgeschnittene Ansicht des Umschaltventils gemäß 3 in einer ersten Schaltstellung;
8 den Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A des Umschaltventils gemäß 4 an einer Schaltschwelle;
9 den Längsschnitt entlang der Schnittebene B-B des Umschaltventils gemäß 4 an einer Schaltschwelle;
10 den Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A des Umschaltventils gemäß 4 in einer zweiten Schaltstellung;
11 den Längsschnitt entlang der Schnittebene B-B des Umschaltventils gemäß 4 in einer zweiten Schaltstellung;
12 einen hydraulischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Pleuels mit dem Umschaltventil gemäß den 3 bis 11 in der ersten Schaltstellung und
13 den hydraulischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Pleuels mit dem Umschaltventil gemäß den 3 bis 11 in der zweiten Schaltstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Der erfindungsgemäße Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung ist beispielhaft den 1 (Draufsicht) und 2 (Längsschnitt in der Schnittebene B-B) zu entnehmen. Dieses weist eine Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge auf, welche als Abstand der Mittelachse eines Hublagerauges 12 von der Mittelachse der Bohrung eines in einem Pleuellagerauge 13 angeordneten Exzenters 4 definiert ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 weist den mit einem ein oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkenden Exzenter 4 auf, in welchem ein nicht gezeigter Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufgenommen ist. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist mittels eines Umschaltventils 5 hydraulisch verstellbar.
Das Umschaltventil 5 dient zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms des Pleuels 1 mit der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist dazu wenigstens einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder mit Hydraulikkammern 14, 15 auf. Sowohl jeweils ein Zulauf 16, 17 zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder aus einer Versorgungsquelle P als auch jeweils ein Ablauf 20, 21 zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern sind dabei vorgesehen. Das Umschaltventil 5 weist einen in einem Gehäuse 34 beweglichen Stufenkolben 28 auf, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung S1 oder eine zweite Schaltstellung S2 verlagerbar ist. In der ersten Schaltstellung S1 ist der Ablauf 21 des zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung S2 der Ablauf 20 des ersten Zylinders mit der Versorgungsquelle P verbunden. Den Zylindern ist jeweils ein Rückschlagventil 18, 19 zugeordnet, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern verhindert.
Die Zylinder sind derart verbunden, dass in der zweiten Schaltstellung S2 Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder direkt und ungedrosselt über das Umschaltventil 5 leitbar ist.
Ein Kammervolumen der zweiten Hydraulikkammer 15 ist kleiner als ein Kammervolumen der ersten Hydraulikkammer 14, wodurch die zweite Hydraulikkammer 15 hydraulisch vorspannbar ist.
Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massenkräften (in den 12 und 13 mit F_M bezeichnet) und Gaslastkräften (in den 12 und 13 mit F_G bezeichnet) der Brennkraftmaschine initiiert, die bei einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte.
Die Kolben 6, 7 sind jeweils in Zylinderbohrungen 8, 9 von Hydraulikzylindern des Pleuels 1 verschiebbar geführt und mit Stützstangen 10, 11 verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel 3 gelenkig verbunden sind.
Der Pleuel 1 weist das Hublagerauge 12 zur Anbindung des Pleuels 1 an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sowie ein Pleuellagerauge 13 zur Anbindung des Pleuels 1 an den Zylinderkolben der Brennkraftmaschine auf.
Die Kolben 6, 7 sind in den durch die Zylinderbohrungen 8, 9 gebildeten Hydraulikkammern 14, 15 verschiebbar angeordnet und über Zuläufe 16, 17 von dem Hublagerauge 12 aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile 18, 19 beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 14, 15 zurück in die Zuläufe 16, 17, ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 14, 15.
Die Hydraulikkammern 14, 15 sind weiter über in den hydraulischen Schaltplänen des Pleuels 1 in den 12 und 13 dargestellten Abläufe 20, 21 mit dem Umschaltventil 5 verbunden, welches als Hydraulikventil ausgebildet ist und über eine Ablaufleitung 22 mit dem Hublagerauge 12 bzw. einer Lagerschale verbunden ist.
Wie beispielsweise aus 2 ersichtlich ist, weist der Pleuel 1 einen Pleuelkörper 42 und einen daran befestigten Pleueldeckel 43 auf.
Die Zylinderbohrung 8 stellt die Hydraulikkammer 14 auf der Gaskraftseite (GKS) des Pleuels 1 dar, während die Zylinderbohrung 9 die Hydraulikkammer 15 auf der Massenkraftseite (MKS) des Pleuels 1 darstellt.
Den 3 bis 11 ist ein erfindungsgemäßes Umschaltventil 10 in verschiedenen Darstellungen und Schnitten zu entnehmen. Dabei zeigen die 5 bis 7 das Umschaltventil 5 in einer ersten Schaltstellung S1 für hohe Verdichtung (ε_high ) und die 10 und 11 in einer zweiten Schaltstellung S2 für niedrige Verdichtung (ε_low ). Die 8 und 9 zeigen die Schnitte an einer Schaltschwelle zwischen den beiden Schaltstellungen. Entsprechende hydraulische Schaltpläne eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 sind den 12 und 13 zu entnehmen.
3 zeigt eine erste Seitenansicht des Umschaltventils 5 mit eingezeichneter Schnittebene C-C, 4 eine zweite Seitenansicht mit eingezeichneten Schnittebenen A-A und B-B. Die 5 und 6 zeigen die entsprechenden Längsschnitte A-A und B-B, während 7 eine teilgeschnittene isometrische Darstellung mit dem Schnitt C-C zeigt.
In der Schaltstellung S1 des Pleuels 1 für hohe Verdichtung (ε_high ) ist die GKS-Hydraulikkammer 14 mit Hydraulikflüssigkeit/Öl gefüllt und die MKS-Hydraulikkammer 15 über den Ablauf 21 sowie über das Umschaltventil 5 gedrosselt mit einer Versorgungsquelle P bzw. der Lagerschale des Pleuels 1 verbunden.
Eine bzw. mehrere MKS-Ablaufbohrungen 23 des Umschaltventils 5 sind mit der einer bzw. mehreren Versorgungsbohrungen 24 verbunden, wie durch den Pfeil 25 der Hydraulikströmung in 5 angedeutet ist. Eine Drossel 26 ist dabei im Umschaltventil 5 als Durchmesserverengung der Ablaufbohrung 23 ausgebildet. Die Ablaufbohrung 23 ist bei im Pleuel 1 eingebautem Umschaltventil 5 mit dem Ablauf 21 der MKS-Hydraulikkammer verbunden. Ablaufendes Öl aus der MKS-Hydraulikkammer kann von der GKS-Hydraulikkammer 14 über das Rückschlagventil 18 direkt aus Versorgungsquelle P wieder aufgenommen werden.
Eine bzw. mehrere GKS-Ablaufbohrungen 27 sind durch einen in einem Gehäuse 34 längsverschieblich angeordneten Stufen-Kolben 28 des Umschaltventils 5 geschlossen. Eine MKS-Zulaufbohrung 33 ist ebenfalls durch den Stufen-Kolben 28 verschlossen.
Der Stufen-Kolben 28 wird durch eine Spiralfeder 35, welche an einem Verschlussdeckel 36 des Gehäuses 34 abgestützt ist, in Richtung einer ersten, rechten Endstellung vorgespannt. Der Verschlussdeckel 36 selbst kann mit dem Gehäuse 34 über Schweißen oder Bördeln oder Einpressen oder ein ähnlich geeignetes Fügeverfahren verbunden sein. Der Verschlussdeckel 36 weist weiter (nicht dargestellte) Bohrungen auf, welche mit dem Tank T verbunden sind, damit Leckageöl aus dem Stufenkolben 28 abfließen kann.
Die grundsätzliche Funktion des Umschaltventils 5, welches hydraulisch betätigbar ist, ist bereits aus der DE 10 2013 107 127 A1 bekannt.
Wie aus dem Schnitt B-B in 6 ersichtlich ist, sind mit der Versorgungsquelle P verbundene Überströmkanäle 29 über radiale Tankablaufbohrungen 30 in Richtung eines Tanks T entlastet, so dass Leckageöl, welches am Stufen-Kolben 28 auftreten kann, durch eine oder mehrere Bohrungen in einem Verschlussdeckel 36 abfließen kann. Auf eine große, ringförmige Druckfläche 31 des Stufenkolbens 28 wirkt somit kein Druck. Lediglich auf eine kleine ringförmige Druckfläche 32 wirkt der hydraulische Druck der Versorgungsquelle P, wodurch der Stufen-Kolben 28 nicht gegen die Kraft der Spiralfeder 35 in eine zweite Endstellung verschoben werden kann.
Die Tankablaufbohrungen 30 sind als Radialbohrungen in dem Stufenkolben 28 ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind dabei die Tankablaufbohrungen 30 über den Umfang des Stufenkolbens 28 verteilt angeordnet. Die Tankablaufbohrungen 30 sind weiter mit wenigstens einem Überströmkanal 29 im Gehäuse 34 über eine umlaufende Nut 40 hydraulisch verbindbar.
In den 8 und 9 sind Längsschnitte entlang der Schnittebene A-A und B-B nach 4 des Umschaltventils 5 an einer Schaltschwelle dargestellt. Die 10 und 11 zeigen die entsprechenden Längsschnitte des Umschaltventils 5 in der zweiten Schaltstellung S2.
An der in den 8 und 9 gezeigten Schaltschwelle befinden sich die Tankablaufbohrungen 30 außerhalb der Überströmkanäle 29, so dass sich auch an der großen Druckfläche 31 ein Druck aufbauen und sich der Stufen-Kolben 28 in seine zweite Endlage sprunghaft nach links verschieben kann. Das Umschaltventil 5 befindet sich dann in seiner zweiten Schaltstellung S2 für niedrige Verdichtung (ε_low ), welche in den 10 und 11 dargestellt ist. Die entsprechende Stellung des Pleuels 1 ist aus 2 sowie dem Schaltplan gemäß 13 ersichtlich.
In dieser Stellung drückt die GKS-Hydraulikkammer 14 ihr Öl über das Umschaltventil 5 direkt ungedrosselt vor das MKS-Rückschlagventil 19. Die GKS-Ablaufbohrungen 27 sind dabei über einen Ringkanal 37 im Stufen-Kolben 28 mit der MKS-Zulaufbohrung 33 verbunden. Die MKS-Ablaufbohrungen 23 sind verschlossen. Beide Druckflächen 31,32 sind im Bereich der Überströmkanäle 29 angeordnet und daher mit Druck beaufschlagt. Die Tankablaufbohrungen 30 sind ebenfalls verschlossen.
Da die GKS-Hydraulikkammer 14 ein größeres Kammervolumen als die MKS-Hydraulikkammer 15 aufweist, wird der überschüssige Volumenstrom Richtung Versorgungsquelle P, beispielsweise die Lagerschale des Pleuels 1, durch eine Drossel 38 geleitet. Der dabei entstehende Druck ist bei richtiger Dimensionierung der Drossel 38 wesentlich höher als der Versorgungsdruck und liegt in der vorliegenden Erfindung auch vor dem Rückschlagventil 19 der MKS-Hydraulikkammer 15 an, womit ein sicheres Befüllen der MKS-Hydraulikkammer 15 gewährleistet wird. Auf diese Weise ist die hydraulische Vorspannung gewährleistet. Gleichzeitig bewirkt die Drossel 38 eine Begrenzung der Geschwindigkeit, mit welcher der GKS-Kolben 6 auf dem Kammerboden der GKS-Hydraulikkammer 8 auftrifft. Für die hydraulische Vorspannung der MKS-Hydraulikkammer 15 in der Schaltstellung (ε_low ) ist es wichtig, dass die Drossel 38 im von der GKS-Hydraulikkammer 14 in Richtung der Versorgungsquelle P ausgeschobenen Volumenstrom stromabwärts eines Verzweigungspunktes 39 (siehe 13) zum MKS-Hydraulikkammer-Rückschlagventil 19 liegt. Die Drossel 38 ist demzufolge zwischen dem Verzweigungspunkt 39 und der Versorgungsquelle P angeordnet.
Der hydraulische Druck, um den Stufen-Kolben 28 wieder in die erste Schaltstellung S1 zurückzuschalten, ist wesentlich niedriger als der Druck, welcher erforderlich ist, um den Stufen-Kolben 28 in die zweiten Schaltstellung S2 zu bewegen. Durch diese Hysterese entsteht ein hydraulischer Druckbereich, in dem beide Kolbenpositionen stabil gehalten werden. Das erfindungsgemäße Umschaltventil 5 stellt also ein bistabiles Umschaltventil dar.
In den 12 und 13 ist ein hydraulischer Schaltplan des erfindungsgemäßen Pleuels 1 mit dem Umschaltventil 5 gemäß den 3 bis 11 in der ersten Schaltstellung S1 und der zweiten Schaltstellung S2 dargestellt.
Wie aus den 12 und 13 ersichtlich ist, ist das gezeigte und beschriebene Umschaltventil 5 als 4/2-Wege-Ventil ausgebildet. Eingangskanäle des Umschaltventils 5 sind die beiden Ablaufkanäle 20 und 21 der GKS-Hydraulikkammer 14, bzw. der MKS-Hydraulikkammer 15, welche in den zwei Schaltstellungen S1 und S2 wahlweise auf die Versorgungsquelle P und den Zulauf 41 der MKS-Hydraulikkammer 15 geschaltet werden können.
In der in 12 gezeigten Schaltstellung des Umschaltventils 5 befindet sich der Pleuel 1 in der Schaltstellung S1 für hohe Verdichtung (ε_high ). In diesem Betriebszustand ist die GKS-Hydraulikkammer 14 mit Hydraulikflüssigkeit/Öl gefüllt und die MKS-Hydraulikkammer 15 ist über den Ablauf 21 sowie über das Umschaltventil 5 gedrosselt mit einer Versorgungsquelle P bzw. der Lagerschale des Pleuels 1 verbunden.
Der Stufenkolben 28 des Umschaltventils 5 weist, wie beispielsweise in 6 dargestellt, Tankablaufbohrungen 30 auf, welche in der ersten Schaltstellung S1 mit dem Tank T verbunden sind, so dass eine erste Druckfläche 31, insbesondere eine große erste Druckfläche 31, des Stufenkolbens 28 druckentlastet ist. In der ersten Schaltstellung S1 ist dazu der wenigstens eine Überströmkanal 29 mit dem Tank T verbunden. So kann der Stufenkolben 28 heraus über den Hydraulikdruck auf die erste Druckfläche 31 betätigt werden, indem der Hydraulikdruck die Vorspannkraft der Spiralfeder 35 überdrückt. In die zweite Schaltstellung S2 kann der Stufenkolben 28 über den Hydraulikdruck auf die erste Druckfläche 31 und eine zweite Druckfläche 32 gebracht werden.
In der in 13 gezeigten Schaltstellung des Umschaltventils 5 befindet sich der Pleuel 1 in der Schaltstellung S2 für niedrige Verdichtung (ε_low ). In diesem Betriebszustand ist die GKS-Hydraulikkammer 14 über den Ablauf 20 sowie über das Umschaltventil 5 und den Zulauf 41 mit der MKS-Hydraulikkammer 15 verbunden und deshalb die MKS-Hydraulikkammer 15 mit Hydraulikflüssigkeit/Öl gefüllt.
In der zweiten Schaltstellung S2 ist der wenigstens eine Überströmkanal 29 mit der Versorgungsquelle P verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013107127 A1 [0052]

Claims

Umschaltventil (5) zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung (2) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung wenigstens einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder mit Hydraulikkammern (14, 15) aufweist und wobei sowohl jeweils ein Zulauf (16, 17) zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder aus einer Versorgungsquelle (P) als auch jeweils ein Ablauf (20, 21) zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern vorgesehen sind, wobei das Umschaltventil (5) einen in einem Gehäuse (34) beweglichen Stufenkolben (28) aufweist, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung (S1) oder eine zweite Schaltstellung (S2) verlagerbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung (S1) der Ablauf (21) des zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung (S2) der Ablauf (20) des ersten Zylinders mit der Versorgungsquelle (P) verbunden ist, wobei den Zylindern jeweils ein Rückschlagventil (18, 19) zugeordnet ist, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern verhindert, und wobei die Zylinder derart verbunden sind, dass in der zweiten Schaltstellung (S2) Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder direkt und ungedrosselt über das Umschaltventil (5) leitbar ist.
Umschaltventil nach Anspruch 1, wobei ein Kammervolumen der zweiten Hydraulikkammer (15) kleiner als ein Kammervolumen der ersten Hydraulikkammer (14) ist und die zweite Hydraulikkammer (15) hydraulisch vorspannbar ist.
Umschaltventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stufenkolben (28) Tankablaufbohrungen (30) aufweist, welche in der ersten Schaltstellung (S1) mit einem Tank (T) verbunden sind, so dass eine erste Druckfläche (31), insbesondere eine große erste Druckfläche (31), des Stufenkolbens (28) druckentlastet ist.
Umschaltventil nach Anspruch 3, wobei die Tankablaufbohrungen (30) als Radialbohrungen in dem Stufenkolben (28) ausgebildet sind und/oder wobei die Tankablaufbohrungen (30) über den Umfang des Stufenkolbens (28) verteilt angeordnet sind.
Umschaltventil nach einem Ansprüche 3 bis 4, wobei die Tankablaufbohrungen (30) mit wenigstens einem Überströmkanal (29) im Gehäuse (34) über eine umlaufende Nut (40) verbindbar sind.
Umschaltventil nach Anspruch 5, wobei in der ersten Schaltstellung (S1) der wenigstens eine Überströmkanal (29) mit einem Tank (T) verbindbar ist.
Umschaltventil nach Anspruch 5 oder 6, wobei in der zweiten Schaltstellung (S2) der wenigstens eine Überströmkanal (29) mit einer Versorgungsquelle (P) verbindbar ist.
Umschaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stufenkolben (28) über eine Spiralfeder (35) an einem Verschlussdeckel (36) des Gehäuses (34) abgestützt ist.
Umschaltventil nach Anspruch 8, wobei der Verschlussdeckel (36) mit dem Gehäuse (34) über Schweißen oder Bördeln oder Einpressen verbunden ist.
Umschaltventil nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Verschlussdeckel (36) Bohrungen aufweist, welche mit dem Tank (T) verbunden sind.
Umschaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stufenkolben (28) über einen Hydraulikdruck auf eine erste Druckfläche (31) aus der ersten Schaltstellung (S1) heraus betätigbar ist.
Umschaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stufenkolben (28) über einen Hydraulikdruck auf die erste Druckfläche (31) und eine zweite Druckfläche (32) in die zweite Schaltstellung (S2) betätigbar ist.
Umschaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Ablauf (21) des zweiten Zylinders eine Drosselstelle (26) angeordnet ist.
Umschaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als hydraulisch betätigbares 4/2-Wege-Ventil.
Pleuel (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung (2) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge mit einem Umschaltventil (5) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.