AT518208A1 - Umschaltventil zum steuern eines fluidstromes - Google Patents

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AT518208A1 ATA50023/2016A AT500232016A AT518208A1 AT 518208 A1 AT518208 A1 AT 518208A1 AT 500232016 A AT500232016 A AT 500232016A AT 518208 A1 AT518208 A1 AT 518208A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil (20) zum Steuern eines Fluidstromes, insbesondere zur Längenverstellung einer Pleuelstange (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuerausnehmung (21), in welcher ein Steuerkolben (22) zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei die Steuerausnehmung (21) in ihrer Mantelfläche (23) zumindest eine Primärsteueröffnung (24a, 24b) aufweist, welche in einer Endstellung des Steuerkolbens (22) von einer Primärsteuerfläche (24a, 24b) des Steuerkolbens (22) verschlossen und in einer anderen Endstellung geöffnet ist. Um auf möglichst einfache Weise den Umschaltvorgang für ein Fluid zu steuern, ist vorgesehen, dass der Steuerkolben (22) verschiebefest mit einem in einer Betätigungsausnehmung (26) verschiebbar angeordneten Betätigungskolben (27) verbunden ist, dessen erste Stirnseite (28) an einen ersten Betätigungsraum (29) und dessen der ersten Stirnseite (28) abgewandte zweite Stirnseite (30) an einen zweiten Betätigungsraum (31) grenzt, wobei der erste Betätigungsraum (29) und der zweite Betätigungsraum (31) alternativ mit Druck beaufschlagbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil zum Steuern eines Fluidstromes, insbesondere zur Längenverstellung einer Pleuelstange einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuerausnehmung, in welcher ein Steuerkolben zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei die Steuerausnehmung in ihrer Mantelfläche zumindest eine Primärsteueröffnung aufweist, welche in einer Endstellung des Steuerkolbens von einer Primärsteuerfläche des Steuerkolbens verschlossen und in einer anderen Endstellung geöffnet ist.
Die Druckschrift AT 514 071 Bl offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einem ersten und einem zweiten Stangenteil, welche Stangenteile teleskopartig zu - und ineinander verschiebbar sind. Der zweite Stangenteil weist dabei einen als Stufenkolben ausgebildetes Kolbenelement auf, welches in einem durch den ersten Stangenteil gebildeten Führungszylinder geführt ist. Das Kolbenelement grenzt mit einander abgewandten Stirnseiten jeweils an einen Hochdruckraum, welcher zwischen dem ersten und den zweiten Stangenteil angeordnet ist. Zur Rückbefüllung und Entleerung des Hochdruckraumes mit Öl und somit zur Längenverstellung der Pleuelstange ist ein Steuerventil in der Pleuelstange vorgesehen, welches einen Steuerkolben aufweist, welcher durch Öldruck entgegen der Kraft einer Rückstellfeder auslenkbar ist, wobei Rückflusskanäle aus den Hochdruckräumen durch den Steuerkolben auf- und zugesteuert werden. Zum Schalten des Steuerventils muss der Öldruck zwischen einem niedrigen und einem hohen Öldruckniveau variiert werden, wobei das entsprechende Öldruckniveau für eine relativ lange Zeitdauer bereitgestellt werden muss. Dies macht es notwendig, das Öldrucksystem für einen höheren Druck als für die Schmierung und Veränderung der Pleuelstangenlänge erforderlich wäre auszulegen, was den konstruktiven und baulichen Aufwand erhöht.
Die DE 10 2010 016 037 Al beschreibt ein Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstromes, welches eine Kugelschreibermechanik aufweist, welche durch Aufbringen eines Betätigungsimpulses auf ein Betätigungsmittel der Kugelschreibermechanik wechselweise in einer ersten und einer zweiten Raststellung einrastbar und derart mit einem Umschaltventil gekoppelt ist, dass die erste oder zweite Raststellung einer ersten oder zweiten Raststellung eines Steuerkolbens des Umschaltventils entspricht. Durch das Umschaltventil wird ein
Verstellweg einer Exzentereinrichtung zur Verstellung der effektiven Pleuelstangenlänge verstellt. Die Kugelschreibermechanik weist dabei eine Steuerhülse, eine Verdrehhülse mit mehreren Verdrehhülsenrippen und eine Federeinrichtung auf. Nachteilig sind der vergleichsweise hohe Fertigungsaufwand und die Verschleißanfälligkeit der konstruktiv relativ komplexen Bauteile.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise den Umschaltvorgang für ein Fluid, insbesondere zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine, zu steuern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Steuerkolben verschiebefest mit einem in einer Betätigungsausnehmung verschiebbar angeordneten Betätigungskolben verbunden ist, dessen erste Stirnseite an einen ersten Betätigungsraum und dessen der ersten Stirnseite abgewandte zweite Stirnseite an einen zweiten Betätigungsraum grenzt, wobei der erste Betätigungsraum und der zweite Betätigungsraum alternativ mit Druck beaufschlagbar sind.
Betätigungsausnehmung und Steuerausnehmung sind achsgleich in einem Gehäuse, beispielsweise einem das große Pleuelauge aufweisenden ersten Stangenteil der Pleuelstange angeordnet und können beispielsweise kreiszylindrisch geformt sein. Es ist aber auch eine andere - beispielsweise mehreckige -Querschnittsform möglich. Die Form des Betätigungskolbens bzw. Steuerkolbens entspricht der Form der Betätigungsausnehmung bzw. der Steuerausnehmung. Der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche des Betätigungskolbens kann dabei größer, beispielsweise doppelt so groß, wie der Durchmesser bzw. Querschnittsfläche des Steuerkolbens sein. Durch Druckbeaufschlagung des ersten Betätigungsraumes wird der Betätigungskolben - und damit der Steuerkolben - von der ersten Endstellung in seine zweite Endstellung verschoben. Umgekehrt wird der Betätigungskolben samt dem Steuerkolben durch Druckbeaufschlagung des zweiten Betätigungsraumes von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegt.
Um den Steuerkolben ohne externen Kraftaufwand - insbesondere ohne Druckbeaufschlagung eines Betätigungsraumes - in einer Endstellung zu halten, ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass das Umschaltventil eine vorzugsweise als Rasteinrichtung ausgebildete Haltevorrichtung aufweist. Mit der Haltevorrichtung kann der Steuerkolben in zumindest einer Endstellung, vorzugsweise in jeder seiner Endstellungen, fixiert werden.
Vorzugsweise weist die Rasteinrichtung zumindest eine im Mantel des Steuerkolbens oder des Betätigungskolbens eingeformte Vertiefung auf, in welche in einer Endstellung des Steuerkolbens ein vorzugsweise radial zur Steuerausnehmung bzw. Betätigungsausnehmung bewegbares Rastelement einfahrbar ist. Günstigerweise weist der Mantel des Steuerkolbens bzw. Betätigungskolbens eine der ersten Endstellung des Steuerkolbens zugeordnete erste Vertiefung und eine der zweiten Endstellung des Kolbens zugeordnete zweite Vertiefung auf, wobei vorzugsweise zumindest eine Vertiefung als Ringnut ausgebildet ist.
Eine sehr einfach bauende erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, dass das vorzugsweise als Stift oder Kugel ausgebildete Rastelement in einer radialen Aufnahmebohrung der Steuerausnehmung bzw. der Betätigungsausnehmung verschiebbar gelagert ist und durch eine vorzugsweise durch eine Rückstellfeder gebildete Rückstellkraft in Richtung des Steuerkolbens bzw. Betätigungskolbens belastet ist.
Bei Verschiebung des Steuerkolbens aus der ersten Endstellung wird das Rastelement in - in Bezug auf die Verschiebeachse des Steuerkolbens - radialer Richtung entgegen der Rückstellkraft aus der ersten Vertiefung verdrängt und gleitet entlang der Mantelfläche des Steuerkolbens, bis die zweite Vertiefung in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens radial fluchtend mit der Aufnahmebohrung zu liegen kommt, worauf das Rastelement durch die Federkraft Rückstellfeder in die Vertiefung geschoben wird und somit einrastet. Dadurch wird der Steuerkolben in dieser zweiten Stellung axial fixiert und kann nur durch Aufbringen einer axialen Kraft, welche die Rückstellkraft der Rückstellfeder überwindet, ausgelenkt werden. Dabei reicht für eine Auslenkung bereits ein kurzer Druckimpuls im Schmierölsystem aus.
Eine einfache und energieschonende Betätigung lässt sich erreichen, wenn in den ersten Betätigungsraum zumindest ein erster Betätigungsdruckkanal einmündet, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Öldruckkanal strömungsverbindbar ist. Vorzugsweise geht dabei der erste Betätigungsdruckkanal von einer ersten Betätigungssteueröffnung der Steuerausnehmung aus, welche in der zweiten Endstellung mittels eines vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen ersten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden und in der ersten Endstellung durch eine erste Betätigungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen ist.
Um eine beidseitige Betätigung des Steuerkolbens durch einen Druckimpuls zu ermöglichen, ist es vorteilhaft wenn auch in den zweiten Betätigungsraum zumindest ein zweiter Betätigungsdruckkanal einmündet, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise der zweite Betätigungsdruckkanal von einer zweiten Betätigungssteueröffnung des Steuerzylinders ausgeht, welche in der zweiten Endstellung durch eine zweite Betätigungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und in der ersten Endstellung mittels eines vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen zweiten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist. Erster und zweiter Verbindungskanal können aber zum Beispiel auch als Bohrungen ausgeführt sein.
Um bei Druckbeaufschlagung des zweiten Betätigungsraumes eine rasche Auslenkung des Betätigungs- und des Steuerkolbens zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn vom ersten Betätigungsraum zumindest ein erster Entlastungskanal ausgeht, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Rückflusskanal strömungsverbindbar ist. In einer konstruktiv einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Entlastungskanal in eine erste Entlastungssteueröffnung der Steuerausnehmung mündet, welche in der zweiten Endstellung durch eine erste Entlastungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und der ersten Endstellung mittels des zweiten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Rückflusskanal strömungsverbunden ist.
Um bei Druckbeaufschlagung des ersten Betätigungsraumes eine rasche Auslenkung des Betätigungs- und des Steuerkolbens zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn vom zweiten Betätigungsraum zumindest ein zweiter Entlastungskanal ausgeht, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. Vorzugsweise mündet dabei der zweite Entlastungskanal in eine zweite Entlastungssteueröffnung der Steuerausnehmung ein, welche in der ersten Endstellung durch eine zweite Entlastungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und in der zweiten Endstellung mittels des ersten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Rückflusskanal strömungsverbunden ist.
Dadurch kann mittels eines Druckimpulses im Ölsystem - beispielsweise dem Schmierölsystem einer Brennkraftmaschine - ein Umschalten des Umschaltventils, insbesondere zur Verstellung der Länge einer Pleuelstange - initiiert werden.
Um beispielsweise einen Hochdruckraum einer längenverstellbaren Pleuelstange übereine erste Primärsteueröffnung mit Öldruck zu beaufschlagen, kann vorgesehen sein, dass in einer Endstellung - beispielsweise der zweiten Endstellung - Steuerkolbens zumindest eine mit einer Steuerleitung verbundene Primärsteueröffnung mit dem Öldruckkanal oder einem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. In der anderen ersten Endstellung des Steuerkolbens wird diese Strömungsverbindung getrennt. In der ersten Endstellung des Steuerkolbens kann beispielsweise eine erste Primärsteueröffnung geöffnet und mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist und in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens die erste Primärsteueröffnung durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine erste Primärsteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen sein. In Weiterführung der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens eine zweite Primärsteueröffnung geöffnet und mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist und in der ersten Endstellung des Steuerkolbens die zweite Primärsteueröffnung durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine zweite Primärsteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen ist. Auf diese Weise können durch die erste und zweite Steueröffnung alternativ eine erste oder eine zweite Steuerleitung mit Druck beaufschlagt werden.
Der Umschaltvorgang des Umschaltventils wird durch einen Druckimpuls ausgelöst. Der kurze Druckimpuls wird erzeugt, indem kurzzeitig ein Hochdruckbehälter mit dem Schmierölsystem der Brennkraftmaschine verbunden wird, wobei das Druckniveau im Hochdruckbehälter höher ist als der Druck im Pleuellager, der bei der höchsten Betriebsdrehzahl auftreten kann. Dieser Druckimpuls breitet sich im Schmierölsystem mit Schallgeschwindigkeit aus und bewirkt eine Auslenkung des Steuerkolbens von einer Endstellung in die andere. Bei einem erneuten Druckimpuls wird der Steuerkolben wieder in die ursprüngliche Endstellung zurückgeschoben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine längenverstellbare Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine mit einem Umschaltventil in einer der oben beschriebenen Ausführungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Pleuelstange in einer Seitenansicht mit einem erfindungsgemäßen Umschaltventil,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Umschaltventil in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1 und
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Umschaltventil in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine zweigeteilte Pleuelstange 1 einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einem oberen ersten Stangenteil 2 mit dem kleinen Pleuelauge 3 zur Verbindung mit einem nicht weiter dargestellten Kolben und einem unteren zweiten Stangenteil 4 mit dem ein Pleuellager 5a ausbildenden großen Pleuelauge 5 zur Verbindung mit einer nicht weiter dargestellten Kurbelwelle. Mit Bezugszeichen 3a ist eine mit der Kolbenbolzenachse zusammenfallende Drehsymmetrieachse des kleinen Pleuelauges 3 bezeichnet. Der erste Stangenteil 2 ist gegenüber dem zweiten Stangenteil 4 zwischen einer ausgezogenen Lage und einer eingeschobenen Lage um einen durch einen nicht weiter ersichtlichen Endanschlag begrenzten Verstellbereich in Richtung der Längsachse la der Pleuelstange 1 verstellbar. Dazu ist eine Längenverstellvorrichtung 16 vorgesehen, die beliebig, wie beispielsweise in der AT 514 071 B der Anmelderin beschrieben, ausgeführt sein kann. Die Verstellung kann also wie in der AT 514 071 B gezeigt mittels eines im oberen ersten Stangenteil 2 befestigten Kolbenelements erfolgen, welches in einem Führungszylinder des unteren zweiten Stangenteils 4 der Pleuelstange 1 axial (in Richtung der Längsachse la der Pleuelstange 1) verschiebbar geführt ist, wobei zwischen einer dem großen Pleuelauge 5 zugewandten ersten Stirnfläche des Kolbenelementes und dem zweiten Stangenteil 4 bzw. dem Führungszylinder ein Hochdruckraum aufgespannt wird, welcher über einen Ölkanal mit einem als Umschaltventil 20 ausgeführten Steuerventil verbunden ist, welches wahlweise den Hochdruckraum mit Öldruck beaufschlagen kann. Fig. 1 zeigt also eine mittels einer Längenverstellvorrichtung 16 und einem Umschaltventil 20 längenverstellbare Pleuelstange 1. Die Längenverstellvorrichtung 16 kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein und ist nicht Teil der Erfindung.
In Fig. 2 zeigt eine ausschnittsweise Schnittansicht der Pleuelstange 1 in einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Darin ist das Umschaltventil 20 im Detail in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Das im zweiten Stangenteil 4 angeordnete Umschaltventil 20 weist eine Steuerausnehmung 21 auf, in welcher ein Steuerkolben 22 zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist. Die Steuerausnehmung 22 weist in ihrer beispielsweise zylindrischen Mantelfläche 23 zumindest eine erste Primärsteueröffnung 24a auf, welche in einer ersten Endstellung geöffnet und in einer - in Fig. 2 dargestellten - zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 von einer ersten Primärsteuerfläche 25a des Steuerkolbens 22 verschlossen ist. Von der ersten Primärsteueröffnung 24a geht eine erste Steuerleitung 19a aus, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Längenverstellvorrichtung 16 zur Längenverstellung der Pleuelstange 1 führt. Der Steuerkolben 22 ist parallel zur Drehsymmetrieachse 3a des kleinen Pleuelauges 3 (sowie parallel zu einer nicht weiter dargestellten Kurbelwellenachse) angeordnet, um eine nachteilige Beeinflussung durch Beschleunigungskräfte zu Folge der Hub- und Schwenkbewegung der Pleuelstange 1 auszuschließen. In einer nicht dargestellten Variante kann der Steuerkolben 22 des erfindungsgemäßen Umschaltventils 20 auch normal zur Drehsymmetrieachse 3a des kleinen Pleuelauges 3 (bzw. der Kurbelwellenachse), insbesondere auch normal zur Längsachse la der Pleuelstange 1, angeordnet sein.
Der Steuerkolben 22 ist fest mit einem in einer beispielsweise zylindrischen Betätigungsausnehmung 26 verschiebbar angeordneten Betätigungskolben 27 verbunden, dessen erste Stirnseite 28 an einen ersten Betätigungsraum 29 und dessen zweite Stirnseite 30 an einen zweiten Betätigungsraum 31 grenzt, wobei der erste Betätigungsraum 29 und der zweite Betätigungsraum 31 alternativ mit Öldruck beaufschlagbar sind. Steuerausnehmung 21 und Betätigungsausnehmung 26 bzw. Steuerkolben 22 und Betätigungskolben 27 weisen eine gemeinsame Verschiebeachse 36 auf, welche in einer Normalebene ε auf die Längsachse la der Pleuelstange 1, insbesondere parallel zur Drehsymmetrieachse 3a des kleinen Pleuelauges 3, angeordnet ist. Dadurch kann der Einfluss von Beschleunigungen in
Quer- und Vertikalrichtung zu Folge der Hub- und Schwenkbewegungen der Pleuelstange 1 ausgeschalten werden.
In den ersten Betätigungsraum 29 mündet ein erster Betätigungsdruckkanal 32 ein, welcher in der dargestellten zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 mit einem Öldruckkanal 33 strömungsverbindbar ist. Der Öldruckkanal 33 ist mit dem Pleuellager 5a hydraulisch strömungsverbunden. Analog dazu mündet in den zweiten Betätigungsraum 31 ein zweiter Betätigungsdruckkanal 34 ein, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 mit dem Öldruckkanal 33 strömungsverbindbar ist.
Der erste Betätigungsdruckkanal 32 geht von einer ersten Betätigungssteueröffnung 35 der Steuerausnehmung 21 aus. Die in der Mantelfläche 23 der Steuerausnehmung 21 angeordnete erste Betätigungssteueröffnung 35 ist in der dargestellten zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 mittels eines ersten Verbindungskanals 37 des Steuerkolbens 22 mit dem Öldruckkanal 33 strömungsverbunden. In der nicht dargestellten ersten Endstellung ist die erste Betätigungssteueröffnung 35 durch eine erste Betätigungssteuerfläche 38 des Steuerkolbens 22 verschlossen. Erste Betätigungssteuerfläche 38 und erste Primärsteuerfläche 25a des Steuerkolbens 22 können dabei überlappend bzw. zusammenfallend ausgeführt sein.
In ähnlicher Weise geht der zweite Betätigungsdruckkanal 34 von einer zweiten Betätigungssteueröffnung 39 des Steuerzylinders 21 aus, welche in der dargestellten zweiten Endstellung durch eine zweite Betätigungssteuerfläche 40 des Steuerkolbens 22 geschlossen und in der ersten Endstellung mittels eines zweiten Verbindungskanals 41 des Steuerkolbens 22 mit dem Öldruckkanal 33 strömungsverbunden ist. Der erste Verbindungskanal 37 und der zweite Verbindungskanal 41 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch in den Steuerkolben 22 eingeformte - beispielsweise zumindest teilweise oder vollständig umlaufend ausgebildete - Ringnuten gebildet. Es ist aber auch möglich die Verbindungskanäle 37, 41 durch radiale oder geneigt zu einer Normalebene auf die Verschiebeachse 36 angeordnete Bohrungen auszubilden.
Vom ersten Betätigungsraum 29 geht weiters zumindest ein erster Entlastungskanal 42 aus, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens 22 mit einem ersten Rückflusskanal 43 strömungsverbindbar ist. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel mündet der erste Entlastungskanal 42 in eine erste Entlastungssteueröffnung 44 der Steuerausnehmung 21, welche in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 durch eine erste Entlastungssteuerfläche 45 des Steuerkolbens 22 geschlossen und der ersten Endstellung mittels des ersten Verbindungskanals 37 des Steuerkolbens 22 mit dem ersten Rückflusskanal 43 strömungsverbunden ist. Der erste Rückflusskanal 43 mündet beispielsweise in den nicht weiter dargestellten Kurbelraum der Brennkraftmaschine und fungiert so als Drainageöffnung.
Auch vom zweiten Betätigungsraum 31 geht zumindest ein zweiter Entlastungskanal 46 aus, welcher in der dargestellten zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 mit einem zweiten Rückflusskanal 47 strömungsverbunden ist.
Der zweite Entlastungskanal 46 mündet hier in eine zweite Entlastungssteueröffnung 48 der Steuerausnehmung 21, welche in der ersten Endstellung durch eine zweite Entlastungssteuerfläche 49 des Steuerkolbens 22 geschlossen und in der dargestellten zweiten Endstellung des Steuerkolbens 22 mittels des zweiten Verbindungskanals 41 des Steuerkolbens 22 mit dem zweiten Rückflusskanal 47 strömungsverbunden ist.
Alternativ zu über Entlastungssteuerflächen 45, 49 des Steuerkolbens 22 auf- und zugesteuerte Entlastungssteueröffnungen 44, 48 des Steuerkolbens 22 ist es auch möglich, die Entlastungskanäle 42, 46 über in Richtung des Kurbelraumes öffnende Überdruckventile direkt mit zumindest einem Rückflusskanal zu verbinden (nicht dargestellt).
Um den Steuerkolben 22 in jeder der Endstellungen zu halten, ohne dass ein Differenzdruck zwischen den Betätigungsräumen 29 und 31 erzeugt werden muss, ist eine als Rasteinrichtung 50 ausgebildete Haltevorrichtung vorgesehen. Die Rasteinrichtung 50 weist im Ausführungsbeispiel ein beispielsweise als Kugel ausgeführtes Rastelement 51 auf, welches in einer radial zur Verschiebeachse 36 angeordneten Bohrung 52 verschiebbar und durch eine Rückstellfeder 53 in Richtung des Steuerkolbens 22 vorgespannt angeordnet ist. Im Bereich dieses Rastelementes 51 weist der Steuerkolben 22 beispielsweise durch (vollständig oder teilweise umlaufende) Ringnuten gebildete erste 54 und zweite Vertiefungen 55 auf, die in Richtung der Verschiebeachse 36 versetzt am Steuerkolben 22 angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Vertiefungen 54, 55 entspricht dem maximalen
Hub des Steuerkolbens 22 zwischen den beiden Endstellungen. In der ersten Endstellung rastet dabei das Rastelement in die erste Vertiefung 54, in der dargestellten zweiten Endstellung in die zweite Vertiefung 55 ein. Im eingerasteten Zustand ist der Steuerkolben 22 fixiert und kann nur durch eine die Haltekraft der Rasteinrichtung überwindende axiale Kraft auf den Steuerkolben 22 ausgelenkt werden. Eine solche Kraft wird beispielsweise durch einen Druckimpuls im Schmierölsystem erzeugt.
Das als Impulsschalter fungierende Umschaltventil 20 kann beispielsweise durch einen Druckimpuls im Schmierölsystem wie folgt betätigt werden:
Dazu wird über einen Befehl aus einer elektrischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine ein Magnetventil geöffnet und dadurch aus einem Hochdruckbehälter für das Schmieröl ein Druckimpuls in das Schmiersystem der Brennkraftmaschine eingebracht (nicht dargestellt).
Das Druckniveau im Hochdruckbehälter ist dabei höher als der maximal auftretende Druck im Pleuellager 5a, der bei der höchsten Betriebsdrehzahl im Pleuellager 5a durch die Zentrifugalkräfte in der Kurbelwelle auftreten kann. Dieser Öldruckimpuls breitet sich im Schmierölsystem mit Schallgeschwindigkeit aus und schiebt die Steuerkolben 22 der Umschaltventile 20 in den zweiten Stangenteilen 4 aller Pleuelstangen 1 gleichzeitig auf Anschlag. Dabei wird jeweils die Federkraft der Rückstellfeder 53 der Rasteinrichtung 50 überwunden und das beispielsweise durch eine Kugel ausgebildete Rasterelement 51 rastet in eine der durch eine Ringnut gebildeten Vertiefungen 54, 55 des Steuerkolbens 22 ein und hält damit diesen in der erreichten Endstellung.
Der mit dem Betätigungskolben 27 fix verbundene Steuerkolben 22 trägt die beiden Vertiefungen 54, 55 und die zwei umlaufenden ringförmigen Verbindungskanäle 37, 41 für die Zu- bzw. Umleitung des Öles. Die Zuleitung für den nächsten Impuls erfolgt auf jener Seite des Betätigungskolbens 27, an der er soeben angeschlagen hat. Die Zuleitung für die andere Seite des Betätigungskolbens 27 ist dabei gesperrt. Damit wird erreicht, dass beim nächsten Impuls die gegenüberliegende Kolbenseite vom Impulsdruck beaufschlagt wird und sich der Betätigungskolben 27 zum jeweils anderen Anschlag bewegt. Im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel versperrt in der zweiten Endstellung das Ende des
Steuerkolbens 22 die Ölzufuhr zur Verstellvorrichtung 16 und gibt die Ölzufuhr in der anderen ersten Endstellung frei.
Um den Betätigungskolben 27 bewegen zu können, muss das Öl auf der Gegenseite der Impulsbeaufschlagung abgeleitet werden. Für die Ableitung des Öles werden wie für die Zufuhr des Öles die ringförmigen Verbindungskanäle 37, 41 benutzt. Dabei dient jeweils abwechselnd der Verbindungskanal 37, 41 einer Seite für die impulsartige Ölzufuhr und der Verbindungskanal 41, 37 der anderen Seite für die Ölableitung. Der Hub des Steuerkolbens 22 und die Positionen der Betätigungsdruckkanäle 32, 34 und Entlastungskanäle 42, 46 sind so abgestimmt, dass die jeweilige Entlastungssteueröffnung 44, 48 solange offenbleibt, bis das Rastelement 51 in eine der beiden Vertiefungen 54, 55 des Steuerkolbens 22 einrastet.
Die Ableitung des verdrängten Öles erfolgt in das nicht weiter dargestellte Kurbelgehäuse.
Das Umschaltventil 20 öffnet oder schließt also die Ölzufuhr zur Verstellvorrichtung 16. Die Verstellvorrichtung 16 kann dabei so ausgeführt sein, dass sie die Pleuelstange 1 ohne Öldruck auf eine lange Position einstellt, mit Öldruck auf kurz.
Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsvariante der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsvariante dadurch, dass die Steuerausnehmung 22 in ihrer Mantelfläche 23 eine zweite Primärsteueröffnung 24b aufweist, welche in der in Fig. 3 dargestellten zweiten Endstellung geöffnet ist, so dass der Öldruckkanal 33 über einen ringförmigen dritten Verbindungskanal 18 mit einer von der zweiten Primärsteueröffnung 24b ausgehenden zweiten Steuerleitung 19b strömungsverbunden ist. Die erste Primärsteueröffnung 24a ist dabei durch die erste Primärsteuerfläche 25a verschlossen. In einer - nicht weiter dargestellten - (in Fig. 3 entsprechend einer Anordnung des Steuerkolbens rechts) ersten Endstellung des Steuerkolbens 22 ist die zweite Primärsteueröffnung 24b von einer zweiten Primärsteuerfläche 25b des Steuerkolbens 22 verschlossen und die erste Primärsteueröffnung 24a mit dem Öldruckkanal 33 strömungsverbunden. Die ersten 19a und zweiten Steuerleitungen 19b dienen somit zur Regelung der Längenverstellung der Pleuelstange 1. Durch alternatives Ansteuern der ersten 19a bzw. der zweiten Steuerleitung 19b können verschiedenen Pleuelstangenlängen und somit verschiedene Verdichtungsverhältnisse realisiert werden.
In jeder der beiden Ausführungsvarianten ist es möglich, die Pleuelstange 1 - vom Öldruck im Schmierölsystem unabhängig - beliebig lang oder kurz zu schalten.

Claims (18)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Umschaltventil (20) zum Steuern eines Fluidstromes, insbesondere zur Längenverstellung einer Pleuelstange (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuerausnehmung (21), in weicherein Steuerkolben (22) zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei die Steuerausnehmung (21) in ihrer Mantelfläche (23) zumindest eine Primärsteueröffnung (24a, 24b) aufweist, welche in einer Endstellung des Steuerkolbens (22) von einer Primärsteuerfläche (25a, 25b) des Steuerkolbens (22) verschlossen und in einer anderen Endstellung geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (22) verschiebefest mit einem in einer Betätigungsausnehmung (26) verschiebbar angeordneten Betätigungskolben (27) verbunden ist, dessen erste Stirnseite (28) an einen ersten Betätigungsraum (29) und dessen der ersten Stirnseite (28) abgewandte zweite Stirnseite (30) an einen zweiten Betätigungsraum (31) grenzt, wobei der erste Betätigungsraum (29) und der zweite Betätigungsraum (31) alternativ mit Druck beaufschlagbar sind.
  2. 2. Umschaltventil (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (20) eine vorzugsweise als Rasteinrichtung (50) ausgebildete Haltevorrichtung aufweist, um den Steuerkolben (22) in zumindest einer Endstellung, vorzugsweise in jeder seiner Endstellungen, zu fixieren.
  3. 3. Umschaltventil (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasteinrichtung (50) zumindest eine im Mantel des Steuerkolbens (22) oder des Betätigungskolbens (27) eingeformte Vertiefung (54, 55) aufweist, in welche in einer Endstellung des Steuerkolbens (22) ein - vorzugsweise radial zur Steuerausnehmung (21) bzw. zur Betätigungsausnehmung (26) bewegbares - Rastelement (51) einfahrbar ist.
  4. 4. Umschaltventil (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Steuerkolbens (22) bzw. Betätigungskolbens (27) eine der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) zugeordnete erste Vertiefung (54) und eine der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) zugeordnete zweite Vertiefung (55) aufweist.
  5. 5. Umschaltventil (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vertiefung (54, 55) als teilweise oder vollständig umlaufend ausgebildete Umfangsnut ausgebildet ist.
  6. 6. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vorzugsweise als Stift oder Kugel ausgebildete Rastelement (51) in einer radialen Aufnahmebohrung (52) der Steuerausnehmung (21) bzw. der Betätigungsausnehmung (26) verschiebbar gelagert ist und durch eine vorzugsweise durch eine Rückstellfeder (53) gebildete Rückstellkraft in Richtung des Steuerkolbens (22) bzw. Betätigungskolbens (27) belastet ist.
  7. 7. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Betätigungsraum (29) zumindest ein erster Betätigungsdruckkanal (32) einmündet, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) mit einem Öldruckkanal (33) strömungsverbindbar ist.
  8. 8. Umschaltventil (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betätigungsdruckkanal (32) von einer ersten Betätigungssteueröffnung (35) des Steuerausnehmung (21) ausgeht, welche in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) mittels eines - vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen - ersten Verbindungskanals (37) des Steuerkolbens (22) mit dem Öldruckkanal (33) strömungsverbunden und in der ersten Endstellung durch eine erste Betätigungssteuerfläche (38) des Steuerkolbens (22) geschlossen ist.
  9. 9. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den zweiten Betätigungsraum (31) zumindest ein zweiter Betätigungsdruckkanal (34) einmündet, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) mit dem Öldruckkanal (33) strömungsverbindbar ist.
  10. 10. Umschaltventil (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betätigungsdruckkanal (34) von einer zweiten Betätigungssteueröffnung (39) der Steuerausnehmung (21) ausgeht, welche in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) durch eine zweite Betätigungssteuerfläche (38) des Steuerkolbens (22) geschlossen und in der ersten Endstellung mittels eines - vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen - zweiten Verbindungskanals (41) des Steuerkolbens (22) mit dem Öldruckkanal (33) strömungsverbunden ist.
  11. 11. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Betätigungsraum (29) zumindest ein erster Entlastungskanal (42) ausgeht, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) mit zumindest einem Rückflusskanal (43) strömungsverbindbar ist.
  12. 12. Umschaltventil (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Entlastungskanal (42) in eine erste Entlastungssteueröffnung (44) der Steuerausnehmung (21) mündet, welche in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) durch eine erste Entlastungssteuerfläche (45) des Steuerkolbens (22) geschlossen und der ersten Endstellung mittels des ersten Verbindungskanals (37) des Steuerkolbens (22) mit einem ersten Rückflusskanal (43) strömungsverbunden ist.
  13. 13. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vom zweiten Betätigungsraum zumindest ein zweiter Entlastungskanal (46) ausgeht, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) mit zumindest einem Rückflusskanal (47) strömungsverbindbar ist.
  14. 14. Umschaltventil (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Entlastungskanal (46) in eine zweite Entlastungssteueröffnung (48) der Steuerausnehmung (21) mündet, welche in der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) durch eine zweite Entlastungssteuerfläche (49) des Steuerkolbens (22) geschlossen und in der zweiten Endstellung mittels des zweiten Verbindungskanals (41) des Steuerkolbens (22) mit einem zweiten Rückflusskanal (47) strömungsverbunden ist.
  15. 15. Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Endstellung des Steuerkolbens (22) zumindest eine Primärsteueröffnung (24a, 24b) mit dem Öldruckkanal (33) oder einem Rückflusskanal strömungsverbunden ist.
  16. 16. Umschaltventil (20) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) eine erste Primärsteueröffnung (24a) geöffnet und mit dem Öldruckkanal (33) strömungsverbunden ist und in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) die erste Primärsteueröffnung (24a) durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine erste Primärsteuerfläche (25a) des Steuerkolbens (22) geschlossen ist.
  17. 17. Umschaltventil (20) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens (22) eine zweite Primärsteueröffnung (24b) geöffnet und mit dem Öldruckkanal (33) strömungsverbunden ist und in der ersten Endstellung des Steuerkolbens (22) die zweite Primärsteueröffnung (24b) durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine zweite Primärsteuerfläche (25b) des Steuerkolbens (22) geschlossen ist.
  18. 18. Längenverstellbare Pleuelstange (1) für eine Hubkolbenmaschine mit einem Umschaltventil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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