AT522194B1 - Steuerschieber mit separatem Steuerkolben für eine längenverstellbare Pleuelstange - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange (1) für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange (1) eine hydraulische Steuereinrichtung (21) zum Einstellen der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange (1) aufweist. Die Steuereinrichtung (21) weist ein hydraulisches Steuerventil (34) mit einem Steuerzylinder (36), einem Steuerschieber (35) und mindestens einem vom Steuerschieber (35) betätigbares Ablassventil (41, 42) auf, wobei der Steuerschieber (35) einen in dem Steuerzylinder (36) verschiebbar geführten, mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbaren Steuerkolben (37) und einen Schieberstößel (39) umfasst. Dabei sind Steuerkolben (37) und Schieberstößel (39) als separate Bauteile ausgeführt und der Schieberstößel (39) mit einer Kolbenaufnahme (58) ausgebildet, wobei der Steuerkolben (37) in einer Spielpassung verschiebbar mit radialem Spiel orthogonal zu einer Steuerschieberachse (As) und axialem Spiel parallel zur Steuerschieberachse (As) auf der Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen solchen Steuerschieber (35) für das hydraulische Steuerventil (34) einer längenverstellbaren Pleuelstange (1), sowie einen Kolbenmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange (1).

Description

Beschreibung

STEUERSCHIEBER MIT SEPARATEM STEUERKOLBEN FÜR EINE LÄNGENVERSTELLBARE PLEUELSTANGE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange eine hydraulische Steuereinrichtung zum Einstellen der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange aufweist und die Steuereinrichtung ein hydraulisches Steuerventil mit einem Steuerzylinder, einem Steuerschieber und mindestens einem vom Steuerschieber betätigbaren Ablassventil aufweist, wobei der Steuerschieber ein in dem Steuerzylinder verschiebbar geführten, mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbaren Steuerkolben und einem Schieberstößel umfasst. Weiter betrifft die Erfindung einen Steuerschieber für das hydraulische Steuerventil einer längenverstellbaren Pleuelstange sowie einen Kolbenmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange.

[0002] Bei Verbrennungsmotoren mit Hubkolben gibt es Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs zu verändern und auf den jeweiligen Betriebszustand des Motors anzupassen, um den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu, jedoch kann ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstzündung des Kolbenmotors führen. Eine solche frühzeitige Verbrennung des Kraftstoffes führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen des Motors, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstzündung geringer, so dass ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich ist.

[0003] Zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VCR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Hubkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Längenverstellung des Abstands zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen ermöglicht eine gleitende Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auf den jeweiligen Betriebspunkt und damit einen optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. Demgegenüber ergeben sich bei einer diskontinuierlichen Verstellung der Pleuellänge mit wenigen Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile, im Vergleich zu einem konventionellen Kolbenmotor wird trotzdem eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades sowie entsprechende Einsparungen im Verbrauch und im Schadstoffausstoß ermöglicht.

[0004] Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Kolbenmotor beschreibt die EP 1 426 584 A1, in der ein mit dem Kolbenbolzen des Hubkolbens verbundener Exzenter eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht, wobei die Fixierung des Exzenters in den jeweiligen Endstellungen des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung erfolgt. Demgegenüber offenbart die DE 10 2005 055 199 A1 eine längenverstellbare Pleuelstange, mit der unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse realisiert werden können, wobei der Exzenter durch zwei Zylinder-Kolben-Einheiten und den hydraulischen Druckunterschied des zugeführten Motoröls in seiner Position fixiert wird.

[0005] Die WO 2015/055582 A?2 zeigt eine längenverstellbare Pleuelstange mit teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, wobei der am ersten Pleuelteil vorgesehene Verstellkolben den Zylinder des zweiten Pleuelteils in zwei Druckräume unterteilt. Die beiden Druckräume dieser Zylinder-Kolben-Einheit werden über Rückschlagventile mit Motoröl versorgt, wobei sich jeweils nur in einer Druckkammer unter Druck stehendes Motoröl befindet. Ist die längenverstellbare Pleuelstange in der langen Position, befindet sich in der oberen Druckkammer kein Motoröl, während die untere Druckkammer hingegen vollständig mit Motoröl gefüllt ist. Im Betrieb wird dann eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit dem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf die motorölgefüllte untere Druckkammer übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Rücklauf des Mo-

toröls unterbindet, steigt der Druck des Motoröls an, so dass die Pleuelstange in dieser Richtung hydraulisch gesperrt ist. In der kurzen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange drehen sich die Verhältnisse in der Zylinder-Kolben-Einheit um. Die untere Druckkammer ist leer, während die obere Druckkammer mit Motoröl gefüllt ist. Entsprechend bewirkt eine Zugkraft einen Druckanstieg in der oberen Kammer und eine hydraulische Sperrung der längenverstellbaren Pleuelstange, während eine Druckkraft durch den mechanischen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen wird.

[0006] Die Pleuellänge dieser längenverstellbaren Pleuelstange kann zweistufig verstellt werden, wobei jeweils eine der beiden Druckkammern entleert wird, indem das zugehörige Rückschlagventil im Zulaufkanal über einen entsprechenden Rücklaufkanal überbrückt wird. Durch diese Rücklaufkanäle strömt Motoröl zwischen der Druckkammer und der Versorgung mit Motoröl, wodurch das jeweilige Rückschlagventil seine Wirkung verliert. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch eine hydraulische Steuereinrichtung geöffnet und geschlossen, wobei immer maximal ein Rücklaufkanal offen und der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung der beiden Rücklaufkanäle wird hydraulisch durch den Versorgungsdruck des Motoröls angesteuert, das über entsprechende Hydraulikmittelkanäle im Pleuel und das Lager des Kurbelwellenzapfens im zweiten Pleuelteil zugeführt wird. Die aktive Verstellung der Pleuellänge erfolgt dann durch gezieltes Entleeren der mit Motoröl gefüllten Druckkammer unter Ausnutzung der an der Pleuelstange wirkenden Gas- und Massenkräfte, wobei die andere Druckkammer gleichzeitig über das zugehörige Rückschlagventil mit Motoröl versorgt und hydraulisch gesperrt wird.

[0007] Eine weitere längenverstellbare Pleuelstange ist z.B. aus der WO 2016/203047 A1 bekannt. Zum Verstellen der Wirklänge der Pleuelstange wird dort ein Steuerschieber mit einem mittig angeordneten Steuerkolben verwendet, der von einer Steuerschieberfeder in einer Richtung vorgespannt ist. Der Steuerschieber umfasst einen mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbaren Steuerkolben und eine fest mit dem Steuerkolben verbundene, beidseitig vorstehende Schieberstange, die an den jeweiligen Enden eine konische Steuerspitze aufweist, um die zugehörigen Ablassventile zu öffnen.

[0008] WO 2018/060457 A1 zeigt eine ähnliche Lösung, bei der zwei Ventile mit zwei separaten Anordnungen aus Verbindungsstange und Stellkolben betätigbar sind. In einer Ausführung, die ebenfalls in einer Pleuelstange verwendbar wäre, allerdings nicht für eine solche beschrieben ist und die elektromagnetisch betätigt wird, ist ein Schieber vorgesehen, an dem ein Vorsteuerkolben befestigt ist, wobei ein Kolbenschaft mit einer nutenförmiger Vertiefung an einem flanschförmigen Abschnitt des Schiebers angeordnet ist.

[0009] Beim Einsatz in einem Kolbenmotor ist eine längenverstellbare Pleuelstange naturgemäß sehr hohen Beschleunigungskräften ausgesetzt, die auch beim Design der hydraulischen Steuereinrichtung berücksichtigt werden müssen. Entsprechend sind die hydraulischen Steuerventile auf den jeweiligen Anwendungsfall der längenverstellbaren Pleuelstange und die jeweilige Leistungsfähigkeit des Kolbenmotors ausgelegt und hergestellt, um ein sicheres Einstellen der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange zu realisieren.

[0010] Bei der Entwicklung von modernen Kolbenmotoren besteht neben der sicheren Funktionalität der einzelnen Komponenten auch die Anforderung, eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads sowie entsprechende Einsparungen im Verbrauch und im Schadstoffausstoß zu realisieren. Gleichzeitig muss auch eine kostengünstige Herstellung der Komponenten und der Montage des Kolbenmotors sichergestellt werden. Dabei ist der Bauraum für solche Pleuelstangen in modernen Kolbenmotoren sowohl axial in Längsrichtung der Pleuelstange als auch radial begrenzt, was bei der Konstruktion der hydraulischen Steuereinrichtung und insbesondere bei der Konstruktion des hydraulischen Steuerventils berücksichtigt werden muss.

[0011] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine längenverstellbare Pleuelstange der eingangs genannten Art derart zu optimieren, dass das hydraulische Steuerventil sicher und kostengünstig herstellbar sowie in einfacher Weise in einer gattungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange einsetzbar ist.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Steuerkolben und der Schieberstößel als separate Bauteile ausgeführt sind und der Schieberstößel eine Kolbenaufnähme aufweist, wobei der Steuerkolben in einer Spielbassung verschiebbar mit radialem Spiel orthogonal zu einer Steuerschieberachse und axialem Spiel parallel zur Steuerschieberachse auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels angeordnet ist. In herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen werden in den hydraulischen Steuerventilen Steuerschieber aus Titan oder Keramikwerkstoffen eingesetzt, die vielfach auch nicht rotationssymmetrisch aufgebaut sind. Entsprechend aufwendig und teuer ist sowohl die Fertigung als auch die Montage solcher Steuerschieber im hydraulischen Steuerventil herkömmlicher längenverstellbarer Pleuelstangen. Derartige Steuerschieber weisen einen relativ dünnen Schieberstößel mit entsprechenden Schaltkonturen und einen Steuerkolben mit einem wesentlich größeren Durchmesser auf, auf den der Steuerdruck des Hydraulikmittels und eine Rückstellkraft wirkt.

[0013] Im Hinblick auf die notwendigen Toleranzen für eine sichere Funktion des hydraulischen Steuerventils und die großen Durchmesserunterschiede sind derartige Steuerschieber für herkömmliche längenverstellbare Pleuelstangen einteilig ausgeführt. Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Steuerschiebers ist der Steuerkolben durch die Spielpassung verschiebbar auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels angeordnet und ermöglicht dadurch eine wesentlich einfachere und kostengünstigere Fertigung ohne die Funktion des Steuerschiebers oder dessen verschiebbare Führung im Steuerzylinder negativ zu beeinträchtigen. Durch die Herstellung des Steuerkolbens und des Schieberstößels als separate Bauteile können diese in unterschiedlicher Zusammenstellung für verschiedene Motortypen eingesetzt und dadurch in größeren Stückzahlen hergestellt werden. Weiter wird durch die separate Herstellung des Steuerkolbens und des Schieberstößels das Zerspanvolumen deutlich verringert, wodurch der Verbrauch an teuren Rohstoffen reduziert wird.

[0014] Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Steuerkolben eine Stößelbohrung aufweist, wobei die Stößelbohrung des Steuerkolbens der Kolbenaufnahme des Schieberstößels zugeordnet ist und wobei das radiale Spiel der Spielpassung zwischen der Stößelbohrung und der Kolbenaufnahme kleiner als 50 um, bevorzugt kleiner als 25 um ist. Ein derartiges radiales Spiel orthogonal zur Steuerschieberachse, d.h. der Unterschied zwischen den Durchmessern der Stößelbohrung des Steuerkolbens und Kolbenaufnahme des Schieberstößels, ermöglicht es, dass der Steuerkolben sich unabhängig von der Schieberachse des Schieberstößels an der Kolbenaufnahme bzw. nach dem Steuerzylinder ausrichtet. Dadurch wird die Koaxialitätsanforderung an die Stößelbohrung bzw. den gesamten Steuerkolben signifikant reduziert, so dass kostengünstige Herstellungsmethoden zur Massenproduktion des Steuerkolbens genutzt werden können. Gleichzeitig lässt sich auch der Schieberstößel einfach herstellen, da der Schieberstößel nur geringe Durchmesserunterschiede aufweist und niedrigere Toleranzen erfüllen muss.

[0015] Eine weitere Ausbildung der längenverstellbaren Pleuelstange sieht vor, dass ein axiales Spiel des Steuerkolbens auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels vorgesehen ist, wobei das axiale Spiel kleiner als 50 um, bevorzugt kleiner als 25 um ist. Das Spiel des Steuerkolbens auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels in axialer Richtung, d.h. parallel zur Steuerschieberachse, ermöglicht eine leichte und sichere Montage des Steuerkolbens auf dem Schieberstößel bei geringen Anforderungen an die Herstellungstoleranzen. So führt das axiale Spiel zwischen dem Steuerkolben und der Kolbenaufnahme, gerade in Kombination mit dem radialen Spiel der Spielpassung zwischen der Stößelbohrung und Kolbenaufnahme, zwar zu einem Leckagespalt zwischen dem Steuerdruckraum und dem Ventildruckraum, jedoch ist aufgrund des geringen Spaltmaßes zwischen dem Kolben und dem Schieberstößel, der starken Strömungsumlenkung, der kurzen Spaltlänge und der Strömungsbeschleunigung eine mögliche Leckage über dem Spalt entlang des axialen Spiels zwischen Steuerkolben und Kolbenaufnahme vernachlässigbar oder zumindest unschädlich, im Hinblick auf den Steuerdruck des Hydraulikmittels im Steuerdruckraum.

[0016] Für eine sichere Positionierung des Steuerkolbens auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels kann die Kolbenaufnahme eine Schulter zur Anlage des Steuerkolbens aufweisen.

[0017] Eine solche Schulter ist eine einfache konstruktive Lösung sowohl zur Positionierung des Steuerkolbens als auch zur Übertragung der auf den Steuerkolben wirkenden Schaltdrücke.

[0018] Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest eine Schraubenmutter vorgesehen ist, um den Steuerkolben auf der Kolbenaufnahme des Schieberstößels zu positionieren. Eine solche Sicherung mittels einer Schraubenmutter, beispielsweise einer Wellenmutter, auf einem zugehörigen Gewinde des Schieberstößels ermöglicht nicht nur eine einfache und schnelle Montage, sondern auch eine effektive Sicherung und Fixierung der Schraubenmutter auf dem Schieberstößel und damit der Anordnung des Steuerkolbens auf der Kolbenaufnahme.

[0019] Der Steuerkolben des Steuerschiebers kann in vorteilhafter Weise tassenförmig ausgebildet und bevorzugt als ein Stanz-Biege-Teil mit einer gestanzten Stößelbohrung ausgeführt sein. Die tassenförmige Ausbildung des Steuerkolbens erleichtert die Führung des Steuerkolbens in dem Steuerzylinder und gleichzeitig auch die Abdichtung des Steuerkolbens gegenüber dem Steuerzylinder. Eine solche tassenförmige Ausbildung des Steuerkolbens lässt sich sehr einfach und kostengünstig als ein Stanz-Biege-Teil mit einer gestanzten und bevorzugt nachgeschnittenen Stößelbohrung herstellen und trotzdem akzeptable Toleranzen für die Verwendung in einem Steuerschieber erreichen.

[0020] Bevorzugt kann der Steuerkolben stirnseitig an dem Schieberstößel angeordnet sein und der Schieberstößel sich von dem stirnseitig angeordneten Steuerkolben in Richtung der Steuerschieberachse durch den Steuerzylinder erstrecken, wobei der Schieberstößel eine Schaltkontur aufweist, um das mindestens eine Ablassventil zu betätigen, sowie bevorzugt rotationssymmetrisch zur Steuerschieberachse ausgebildet sein. Ein solcher pilzartiger Aufbau des Steuerschiebers und des zugehörigen hydraulischen Steuerventils ermöglichen in einer insgesamt einfachen Konstruktion auch eine sichere Funktion mit einer exakten Steuerung der längenverstellbaren Pleuelstange. Durch die stirnseitige Anordnung des Steuerkolbens kann der Steuerzylinder als einfache Stufenbohrung und die dort vorgesehenen Kanäle können als einfache Bohrungen ausgebildet sein. Weiter ermöglicht der stirnseitig angeordnete Steuerkolben eine eindeutige Aufteilung zwischen dem mindestens einem Ablassventil und dem von der Steuerdruckfläche begrenzten Steuerdruckraum zur Betätigung des Steuerschiebers. Der sich von dem stirnseitig angeordneten Steuerkolben in Richtung der Steuerschieberachse durch den Steuerzylinder erstreckende Schieberstößel weist bevorzugt eine Schaltkontur auf, um das mindestens eine Ablassventil sicher und einfach zu betätigen, wobei die Schaltkontur als gerade oder schräg verlaufende Abflachungen des Schieberstößels mit Vertiefungen und Vorsprüngen ausgebildet sein kann. Dabei kann eine rotationssymmetrische Ausbildung des Schieberstößels relativ zur Steuerschieberachse eine einfache automatisierte Herstellung erleichtern.

[0021] Eine weitere Variante sieht vor, dass der Schieberstößel ein masseoptimierter Schieberstößel ist, wobei die Masse des Schieberstößels reduziert ist aufgrund der Materialwahl des Schieberstößels oder aufgrund einer mit mindestens einer Einschnürung versehenen Kontur des Schieberstößels dessen Masse maximal dem 0,93-fachen, bevorzugt maximal dem 0,85-fachen des Hüllvolumens der Kontur des Steuerschiebers multipliziert mit der Dichte von Stahl (7,85 g/mm®) entspricht. Um für eine möglichst große Anzahl unterschiedlicher Motortypen, entsprechend dem im Automobilbereich üblichen Gleichteilekonzept, ein spezielles Steuerschieberdesign mit einem geeigneten Steuerkolben zu realisieren, kann der Steuerschieber ein solcher masseoptimierter Steuerschieber sein. Zur Massereduktion des Steuerschiebers können entweder leichte Materialien und/oder Materialabtragungen im Bereich des Schieberstößels genutzt werden. Unter Hüllvolumen der Schaltkonturen ist dabei das Volumen der Schaltkontur des Schieberstößels auf Basis der Länge der Schaltkontur und dem größten Querschnitt der Schaltkontur zu verstehen. Gegenüber dieser theoretischen Masse des Hüllvolumens der Schaltkontur reduzieren entsprechende Einschnitte, Nuten und Vertiefungen im Bereich der Schaltkontur und des Schafts dessen tatsächliche Masse. Durch die Massereduktion des Schieberstößels können die auf den Steuerschieber einwirkenden Massekräfte, die im Wesentlichen unabhängig sind von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der konkreten Anordnung des Steuerschiebers in der Pleuelstange, reduziert werden.

[0022] Geeigneterweise ist bei einem masseoptimierten Schieberstößel der Steuerkolben als Zusatzmasse für den Steuerschieber ausgebildet. Im Gegensatz zu einem rein funktional konstrujerten Steuerkolben berücksichtigt ein als Zusatzmasse ausgebildeter Steuerkolben in Verbindung mit einem masseoptimierten Schieberstößel die Belastung der längenverstellbaren Pleuelstangen aufgrund der im Betrieb auf das Pleuel einwirkenden Gas- und Massenkräfte in Abhängigkeit der Konstruktion des Kolbenmotors, sowie aufgrund der Oldruckschwankung in der Hydraulikmittelversorgung des Steuerventils durch die Bewegung der Pleuelstange. Dadurch wird eine Anpassung des Steuerschiebers mit einem masseoptimierten Schieberstößel und einem als Zusatzmasse ausgebildeten Steuerkolben auf unterschiedliche Motortypen ermöglicht, so dass zumindest der Schieberstößel in größerer Stückzahl herstellbar ist. Trotz der für den jeweiligen Motortypen notwendigen komplexen Struktur des Steuerschiebers kann der Schieberstößel in einer größeren Anzahl kostengünstig herstellt werden und über den als Zusatzmasse ausgebildeten Steuerkolben an den speziellen Motortyp angepasst werden. Neben einer deutlichen Reduzierung der Herstellungskosten, erfüllt dies auch das in der Automobilindustrie angestrebte Gleichteilekonzept für Komponenten.

[0023] Eine sinnvolle Ausbildung sieht vor, dass der Steuerschieber geneigt zur Längsrichtung der Pleuelstange und/oder geneigt zur Normalen der Längsrichtung der Pleuelstange angeordnet ist, bevorzugt in einem Winkel zwischen 15° und 75°. Dabei kann die geneigte Anordnung des Steuerschiebers gegenüber der Längsrichtung der Pleuelstange und/oder gegenüber der Normalen zur Längsrichtung der Pleuelstange bei einer günstigen Wahl des Winkels die negativen Einflüsse der Trägheit des Hydraulikmittels in den Hydraulikmittelkanälen und in den Komponenten der hydraulischen Steuereinrichtung weiter reduzieren. Sowohl Störungen und Fehlfunktionen bei der Ansteuerung der Steuereinrichtung als auch störende Einflüsse auf die weiteren Komponenten der hydraulischen Steuereinrichtung können durch die geneigte Anordnung des Steuerschiebers minimiert werden.

[0024] Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die hydraulische Steuereinrichtung eine Rückstellfeder aufweist, um den Steuerschieber in einer ersten Ausgangsstellung zu halten oder in die erste Ausgangsstellung zurückzustellen, wobei die Rückstellfeder bevorzugt um den Steuerschieber herum angeordnet ist und sich an dem Steuerkolben abstützt. Die Rückstellfeder ermöglicht es, in dem hydraulischen Steuerventil zwei unterschiedliche Schaltstellungen vorzusehen, ohne einen aktiven Rückstellmechanismus, zusätzliche Druckkammern oder Versorgungsleitungen bereitzustellen. Dadurch können die Herstellungskosten gering gehalten werden, bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Funktionssicherheit. Weiterhin kann eine solche Rückstellfeder in einfacher Weise an unterschiedliche Steuerdrücke oder Anwendungen des Steuerventils angepasst werden, ohne die gesamte Konstruktion der hydraulischen Steuereinrichtung oder sogar der längenverstellbaren Pleuelstange verändern zu müssen. Dabei reduziert eine Anordnung der Rückstellfeder um den Steuerschieber herum den benötigten Bauraum für das Steuerventil und gleichzeitig auch den Herstellungsaufwand.

[0025] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei vom Steuerschieber betätigbare Ablassventile vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei Ablassventile bevorzugt wechselweise betätigbar sind. Je nach Stellung des Steuerschiebers ist maximal eines der zwei Ablassventile geöffnet, so dass Hydraulikmittel entweder aus der ersten Druckkammer oder der zweiten Druckkammer der Steuereinrichtung, insbesondere einer doppelt wirkenden ZylinderKolben-Einheit, der längenverstellbaren Pleuelstange entweichen kann. Währenddessen kann sich die andere Druckkammer gleichzeitig mit Hydraulikmittel füllen, infolge der beim Kolbenmotor bei der Hubbewegung der Pleuelstange wirkenden Gas- und Massenkräfte, die mittels der entstehenden Sogwirkung ein Öffnen des der anderen Druckkammer zugeordneten Rückschlagventils bewirken. Mit zunehmender Befüllung dieser Druckkammer wird aus der geöffneten Druckkammer gleichsam Hydraulikmittel abgeführt, wodurch sich die Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange ändert. Je nach Ausgestaltung der hydraulischen Steuereinrichtung sowie je nach Betriebszustand des Kolbenmotors, können mehrere Hübe der Pleuelstange erforderlich sein, bis die Längenänderung der Pleuelstange beendet ist. Günstigerweise haben die Ablassventile federvorgespannte Ventilkörper, bevorzugt Ventilkugeln, die über ein geeignetes Ubertra-

gungselement, beispielsweise Übertragungsstifte oder Übertragungskugeln, gegen die Federvorspannung in Richtung der Hubachse des Ventilkörpers bewegt werden, um das Ablassventil zu Öffnen.

[0026] Für eine sichere Funktion und einen einfachen Aufbau der Ablassventile können die mindestens zwei Ablassventile geneigt zur Steuerschieberachse, bevorzugt senkrecht zur Steuerschieberachse, angeordnet sein. Dabei bezieht sich die Anordnung der Ablassventile auf die Öffnungsrichtung der Ventilkörper in den Ablassventilen. Diese geneigte Anordnung der Ablassventile ermöglicht neben einer einfachen Bauweise des hydraulischen Steuerventils auch insgesamt geringe Abmessungen der Pleuelstange mit einer entsprechenden Massenreduktion.

[0027] In einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen der Schaltkontur des Schieberstößels und dem stirnseitig angeordneten Steuerkolben bzw. der Schulter des Schieberstößels ein Anschlag vorgesehen sein, wobei zwischen dem Anschlag und dem Steuerkolben weiter eine zusätzliche einschnürende Ringnut vorgesehen sein kann. Dadurch kann auch dieser Bereich zwischen der Schaltkontur des Schieberstößels und dem Steuerkolben masseoptimiert sein. Ein solcher Aufbau des Steuerschiebers ermöglicht eine einfache Montage in einer entsprechend ausgeformten Bohrung, ohne den Einsatz von Aufnahmebuchsen oder Zwischenstücken. Lediglich der durch den Steuerkolben gebildete Steuerdruckraum muss durch einen entsprechenden Verschluss abgedichtet werden, der gleichzeitig auch einen Anschlag für den Steuerkolben bilden kann.

[0028] Ein Ausführungsbeispiel der längenverstellbaren Pleuelstange sieht vor, dass mindestens zwei Pleuelteile vorgesehen sind, wobei das erste Pleuelteil das erste Pleuelauge und das zweite Pleuelteil das zweite Pleuelauge aufweist, und wobei das erste Pleuelteil gegenüber dem zweiten Pleuelteil in Längsrichtung der Pleuelstange bewegbar ist, bevorzugt teleskopierbar bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen zu verstellen. Im Gegensatz zu Pleuelstangen mit Exzentern ermöglichen zwei in Längsrichtung der Pleuelstange zueinander bewegbare Pleuelteile einen stabilen Aufbau sowie einen sicheren und dauerhaften Betrieb der längenverstellbaren Pleuelstange.

[0029] Dabei kann mindestens eine mit der hydraulischen Steuereinrichtung hydraulisch verbundene Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen sein, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu bewegen, wobei das erste Pleuelteil mit einem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden ist und das zweie Pleuelteil eine Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweist. Dies ermöglicht neben einem sehr robusten Aufbau der längenverstellbaren Pleuelstange auch einfache und kostengünstige Pleuelteile, wobei der Verstellkolben des ersten Pleuelteils bevorzugt direkt mit der Kolbenstange und dem Pleuelkopf mit dem ersten Pleuelauge verbunden ist und das zweite Pleuelteil ein Gehäuse aufweist, in dem neben der Zylinderbohrung auch die hydraulische Steuereinrichtung vorgesehen ist.

[0030] Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen gebauten Steuerschieber für eine längenverstellbare Pleuelstange gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsformen mit einem Steuerkolben, der in einem Steuerzylinder verschiebbar und mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbar ist, sowie mit einem separat hergestellten Schieberstößel mit einer Kolbenaufnahme, wobei der separat hergestellte Steuerkolben auf der Kolbenaufnahme angeordnet ist. Entsprechend dem allgemeinen Gleichteilekonzept, ermöglicht ein solcher Steuerschieber die Verwendung eines in großer Stückzahl hergestellten Schieberstößels und einem für unterschiedliche Motortypen hergestellten Steuerkolben. Gleichzeitig kann über eine entsprechende Massenanpassung des Steuerkolbens mittels des Konzepts gleicher Schieberstößel eine Vielzahl von unterschiedlichen Motortypen mit einem spezifisch angepassten Steuerschieber bei geringen Herstellungskosten versorgt werden.

[0031] In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenmotor mit mindestens einem Motor-Zylinder, einem sich in dem Motor-Zylinder bewegenden Hubkolben und mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in dem Motor-Zylinder, sowie mit einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben des Kolbenmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet und die Steuereinrichtung der längenverstellbaren

Pleuelstange mit der Motorölhydraulik des Kolbenmotors verbunden. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Kolbenmotors kann beträchtlich sein, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Mittels der hydraulischen Steuereinrichtung und dem Steuerschieber mit separat hergestelltem Steuerkolben und Schieberstößel wird eine kostengünstige und robuste Steuerung der längenverstellbaren Pleuelstange ermöglicht.

[0032] Im Folgenden werden nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung anhand beispielhafter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

[0033] Fig. 1 eine Draufansicht einer erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange,

[0034] Fig. 2 eine schematische Ansicht der teilweise freigeschnittenen längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1,

[0035] Fig. 3 eine schematische Ansicht der längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1 mit einer schematischen Darstellung des hydraulischen Steuerventils,

[0036] Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht der längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1 entlang der Linie IV,

[0037] Fig. 5a eine vergrößerte Schnittdarstellung des Steuerkolbens des Steuerschiebers aus Fig. 4 und

[0038] Fig. 5b eine vergrößerte Schnittansicht des Leckagespalts des Steuerschiebers aus Fig. 4.

[0039] Die in Fig. 1 dargestellte längenverstellbare Pleuelstange 1 umfasst zwei teleskopierbar zueinander bewegbare Pleuelteile 2, 3. Das in der Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 in Fig. 1 unten angeordnete untere Pleuelteil 2 weist ein großes Pleuelauge 4 auf, mit dem die längenverstellbare Pleuelstange 1 auf der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Kolbenmotors gelagert ist. Dazu ist am unteren Pleuelteil 2 weiter eine Lagerschale 5 angeordnet, die zusammen mit dem ebenfalls lagerschalenartig ausgebildeten unteren Bereich der unteren Pleuelstange 2 das große Pleuelauge 4 ausbildet. Die Lagerschale 5 und das untere Pleuelteil 2 werden mittels Pleuelschrauben 43 miteinander verbunden. Das obere Pleuelteil 3 weist einen Pleuelkopf 6 mit einem kleinen Pleuelauge 7 auf, das den Kolbenbolzen (nicht gezeigt) des Hubkolbens im Kolbenmotor aufnimmt.

[0040] Wie in Fig. 2 gut zu erkennen, ist der Pleuelkopf 6 mit einer Kolbenstange 8 und über die Kolbenstange 8 mit einem Verstellkolben 9 einer hier als Zylinder-Kolben-Einheit 10 ausgebildeten Verstelleinrichtung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 verbunden. Dabei ist der Pleuelkopf 6 üblicherweise mit der Kolbenstange 8 verschraubt oder verschweißt, während der Verstellkolben 9 und die Kolbenstange 8 einteilig ausgebildet sind. Dies ermöglicht vor einem Zusammenbau des oberen Pleuelteils 3, einen Zylinderdeckel 15 der Zylinder-Kolben-Einheit 10, eine Stangendichtung 16 auf der Kolbenstange 8 sowie Kolbendichtungen 17, 18 an dem Verstellkolben 9 einfach und beschädigungsfrei anzuordnen.

[0041] Das obere Pleuelteil 3 ist über den Verstellkolben 9 teleskopierbar in dem unteren Pleuelteil 2 geführt, um den Abstand zwischen dem im kleinen Pleuelauge 7 aufgenommenen Kolbenbolzen des Hubkolbens und der in dem großen Pleuelauge 4 aufgenommenen Kurbelwelle des Kolbenmotors zu verstellen und so das Verdichtungsverhältnis des Kolbenmotors an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen. Dadurch ist es möglich, den Kolbenmotor im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis als unter Volllastbereich zu betreiben und so den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.

[0042] In dem Gehäuse 11 des unteren Pleuelteils 2 ist im oberen Bereich ein Zylinder 12 als Zylinderbohrung oder Zylinderhülse des unteren Pleuelteils 2 ausgebildet. In dem Zylinder 12 ist der Verstellkolben 9 des oberen Pleuelteils 3 in Längsrichtung A der Pleuelstange 1 bewegbar angeordnet, um gemeinsam mit dem Zylinder 12 und dem Zylinderdeckel 15 die Zylinder-KolbenEinheit 10 auszubilden. Der Verstellkolben 9 ist in Fig. 2 in einer Mittelstellung dargestellt, in der der Verstellkolben 9 den Zylinder 12 in zwei Druckräume 13 und 14 unterteilt. Die Kolbenstange

8 erstreckt sich von dem Verstellkolben 9 durch den oberen Druckraum 14 und durch den Zylinderdeckel 15, der das Gehäuse 11 und den Zylinder 12 nach oben hin begrenzt. An dem Zylinderdeckel 15 ist die Stangendichtung 16 vorgesehen, die von einem Sicherungsring 19 am Übergang zwischen Kolbenstange 8 und dem Zylinderdeckel 15 gehalten wird. Die Stangendichtung 16 umgibt die Kolbenstange 8 und dichtet den oberen Druckraum 14 gegenüber der Umgebung ab. Die beiden auf dem Verstellkolben 9 angeordneten Kolbendichtungen 17, 18 dichten den Verstellkolben 9 gegenüber dem Zylinder 12 und damit auch die Druckräume 13, 14 zueinander ab. Der Sicherungsring 19 bildet zusammen mit dem Zylinderdeckel 15 einen oberen Anschlag aus, an dem der Verstellkolben 9 in der oberen Stellung, der langen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1, anliegt, während in der unteren Stellung (Kurzstellung) der längenverstellbaren Pleuelstange 1 der Verstellkolben 9 an dem vom Zylinderboden 20 ausgebildeten unteren Anschlag anliegt.

[0043] Im Folgenden wird anhand der Fig. 3 die hydraulischen Verschaltung einer Steuereinrichtung 21 zur Versorgung der von der Zylinder-Kolben-Einheit 10 ausgebildeten Verstelleinrichtung näher erläutert. Die beiden Druckräume 13, 14 sind jeweils über getrennte Hydraulikmittelleitungen 22, 23 und separate Rückschlagventile 24, 25 und einem gemeinsamen Ölversorgungskanal 26, der in dem großen Pleuelauge 4 mündet, mit dem Motorölkreislauf des Kolbenmotors verbunden. Ist die längenverstellbare Pleuelstange 1 in der langen Position, befindet sich im oberen Druckraum 14 kein Motoröl, während der untere Druckraum 13 hingegen vollständig mit Motoröl gefüllt ist. Während des Betriebs wird die Pleuelstange 1 aufgrund der Massen- und Gaskräfte alternierend auf Zug und Druck belastet.

[0044] In der langen Stellung wird die Zugkraft durch den mechanischen Kontakt des Verstellkolbens 9 mit dem Sicherungsring 19 aufgenommen, wobei sich die Länge der Pleuelstange 1 nicht weiter verändert. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den mit Motoröl gefüllten unteren Druckraum 13 übertragen. Da das dem unteren Druckraum 13 zugeordnete Rückschlagventil 25 ein Ausströmen des Motoröls verhindert, steigt der Druck des Motoröls stark an und verhindert eine Anderung der Pleuellänge, wodurch die längenverstellbare Pleuelstange 1 in dieser Bewegungsrichtung hydraulisch gesperrt ist.

[0045] In der Kurzstellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum 13 ist leer und eine Druckkraft wird durch den mechanischen Anschlag des Verstellkolbens 9 am Zylinderboden 20 aufgenommen, während der obere Druckraum 14 mit Motoröl gefüllt ist, so dass eine Zugkraft auf die längenverstellbare Pleuelstange 1 einen Druckanstieg im oberen Druckraum 14 und eine hydraulische Sperrung bewirkt.

[0046] Die Pleuellänge der hier dargestellten längenverstellbaren Pleuelstange 1 kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume 13, 14 entleert wird und der jeweils andere Druckraum 13, 14 mit Motoröl gefüllt wird. Hierzu wird in der hydraulischen Steuereinrichtung 21 jeweils eines der Rückschlagventile 24, 25 überbrückt, so dass das Motoröl aus dem bisher gefüllten Druckraum 13, 14 abfließen kann. Das jeweilige Rückschlagventil 24, 25 verliert so seine Wirkung. Dazu umfasst die hydraulische Steuereinrichtung 21 ein 3/2- Wegeventil 27, dessen beiden schaltbaren Anschlüsse 30 jeweils über eine Drossel 28, 29 mit einer Hydraulikmittelleitung 22, 23 der Druckräume 13, 14 verbunden sind. Ein erster Anschluss 30 ist dem unteren Druckraum 13 zugeordnet und ein zweiter Anschluss 30 dem oberen Druckraum 14.

[0047] Das 3/2-Wegeventil 27 wird über den Druck des Motoröls betätigt, das dem 3/2-Wegeventil 27 über eine mit dem Olversorgungskanal 26 verbundene Steuerdruckleitung 31 zugeführt wird. Die Rückstellung des 3/2-Wegeventils 27 erfolgt durch eine Rückstellfeder 32. Die beiden schaltbaren Anschlüsse 30 des 3/2-Wegeventils 27 sind mit einem Abströmkanal 33 verbunden, der das aus den Druckräumen 13, 14 abgeführte Motoröl an den Olversorgungskanal 26 abgibt, von wo aus es zur Befüllung des jeweils anderen Druckraums 14, 13 zur Verfügung steht oder über das große Pleuelauge 4 an den Motorölkreislauf des Kolbenmotors und/oder die Umgebung abgegeben werden kann. In einer nicht dargestellten Variante kann der Abströmkanal 33 auch direkt in die Umgebung der Pleuelstange 1 führen, wobei vor dem Austritt in die Umgebung eine Drossel und/oder ein in Richtung der Umgebung öffnendes Rückschlagventil angeordnet sein

kann. In der in Fig. 3 dargestellten Vorzugslage des 3/2- Wegeventils 27 ist der obere Druckraum 14 geöffnet.

[0048] Bei dem 3/2-Wegeventil 27 ist jeweils einer der schaltbaren Anschlüsse 30 geöffnet, so dass der zugehörige Druckraum 13, 14 geleert ist, während der andere Anschluss 30 geschlossen ist. Bei einer Veränderung der Schaltstellung des 3/2-Wegeventils 27, durch das Anliegen eines höheren Steuerdrucks über die Steuerdruckleitung 31 oder durch eine Rückstellung über die Rückstellfeder 32 bei einem abnehmenden Steuerdruck, wird der bisher geöffnete Anschluss 30 geschlossen und der bisher geschlossene Anschluss 30 geöffnet. Infolgedessen strömt aus dem bisher mit Motoröl gefüllten Druckraum 13, 14 das unter hohem Druck stehende Motoröl über die jeweilige Hydraulikmittelleitung 22, 23 sowie die zugehörige Drossel 28, 29 durch den geöffneten Anschluss 30 des 3/2-Wegeventils 27 und den Abströmkanal 33 in den Ölversorgungskanal 26.

[0049] Gleichzeitig entsteht durch die während der Hubbewegung der Pleuelstange 1 wirkenden Massen- und Gaskräfte in dem bisher leeren Druckraum 14, 13 eine Sogwirkung, durch die sich das zugehörige Rückschlagventil 24, 25 öffnet, so dass sich der bisher leere Druckraum 14, 13 mit Motoröl füllt. Mit zunehmender Füllung dieses Druckraums 14, 13 wird aus dem anderen Druckraum 13, 14 zunehmend das Motoröl über den geöffneten Anschluss 30 abgeführt, wodurch sich die Länge der Pleuelstange 1 ändert. Je nach Ausgestaltung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 sowie der hydraulischen Steuereinrichtung 21 und dem Betriebszustand des Kolbenmotors können mehrere Hübe der Pleuelstange 1 erforderlich sein, bis der von der hydraulischen Steuereinrichtung 21 gesperrte Druckraum 14, 13 vollständig mit Motoröl gefüllt und der andere geöffnete Druckraum 13, 14 vollständig geleert ist und so die maximal mögliche Längenänderung der Pleuelstange 1 erreicht ist.

[0050] Fig. 2 zeigt ein hydraulisches Steuerventil 34 als Ausführungsbeispiel des beschriebenen 3/2-Wegeventils 27, wobei das Steuerventil 34 als Schieberventil mit einem Steuerzylinder 36 und einem in dem Steuerzylinder 36 verschiebbar angeordneten pilzförmigen Steuerschieber 35 ausgebildet ist. Der Steuerschieber 35 weist einen stirnseitig angeordneten Steuerkolben 37 auf, der zusammen mit dem Steuerzylinder 36 einen stirnseitig des Steuerschiebers 35 angeordneten Steuerdruckraum 38 ausbildet. Der Steuerzylinder 36 ist als eine gegenüber der Längsachse A der Pleuelstange 1 und auch gegenüber der Normalen zur Längsachse A der Pleuelstange 1 geneigte Stufenbohrung im Gehäuse 11 des unteren Pleuelteils 2 ausgebildet. Am offenen Ende des Steuerzylinders 36 ist eine Verschlusskappe 46 vorgesehen, die den Steuerdruckraum 38 zur Umgebung hin abdichtet. Der Steuerdruckraum 38 wird über die Steuerdruckleitung 31 von dem Olversorgungskanal 26 (siehe Fig. 3) mit einem unter Steuerdruck stehenden Hydraulikmittel versorgt. Auf der dem Steuerdruckraum 38 abgewandten Rückseite des stirnseitigen Steuerkolbens 37 erstreckt sich ein Schieberstößel 39 in das als Niederdruckraum 45 ausgebildete untere Ende des Steuerzylinders 36, weshalb zwischen dem stirnseitigen Steuerkolben 37 und dem Steuerzylinder 36 eine berührende oder kontaktlose Dichtung vorgesehen ist. An einem dem Steuerkolben 37 zugewandten oberen Abschnitt des Schieberstößels 39 ist um den SchieberstöBel 39 herum die Rückstellfeder 32 angeordnet, während am unteren Ende des Schieberstößels 39 eine Schaltkontur 54 zum Öffnen und Schließen der Ablassventile 41, 42 ausgebildet ist, um mit möglichst geringem Kraftaufwand den jeweiligen Ventilkörper 49 aus dem Ventilsitz 50 des ersten und zweiten Ablassventils 41, 42 gleichmäßig abzuheben und das jeweilige Ablassventil 41, 42 zu Öffnen.

[0051] Im Folgenden wird anhand der Figuren 4 sowie 5a und 5b der Aufbau und die Funktion des hydraulischen Steuerventils 34 für eine erfindungsgemäße Pleuelstange 1 näher erläutert.

[0052] Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des hydraulischen Steuerventils 34 entlang der in Fig. 1 und 2 dargestellten Schnittlinie IV. Dabei ist der Kopf dieses pilzförmigen Steuerschiebers 35 als separater, tassenförmiger Steuerkolben 37 ausgebildet mit einer mittigen Stößelbohrung 56 (siehe Fig. 5a) zur Aufnahme des Schieberstößels 39. Die Steuerschieberachse As steht dabei im Wesentlichen normal auf die Achse Ax der (nicht eingezeichneten) Kurbelwelle.

[0053] Der Schieberstößel 39 des Steuerschiebers 35 weist im oberen Bereich einen Abschnitt

mit einem größeren Durchmesser auf, um den herum die Rückstellfeder 32 angeordnet ist, sowie angrenzend eine Schulter 57 zur axialen Anlage des Steuerkolbens 37 und eine Kolbenaufnahme 58 mit einem geringeren Durchmesser, auf der der Steuerkolben 37 mit der Stößelbohrung 56 radial angeordnet ist.

[0054] Im unteren Bereich ist weiter die Schaltkontur 54 vorgesehen, die neben einer Führung des Steuerschiebers 35 auch mit den beiden Ablassventilen 41, 42 in Eingriff steht, um die zugeordneten Druckräume 13, 14 abwechselnd vom geschlossenen Zustand aus zu Öffnen. Beide Ablassventile 41 und 42 sind gleich aufgebaut, weshalb die zugehörigen Elemente nur anhand des ersten Ablassventils 41 beschrieben wird. Das Ablassventil 41 umfasst eine Verschlussschraube 47, die in eine entsprechende mit einem Gewinde versehene Aufnahmeöffnung im Gehäuse 11 des unteren Pleuelteils 2 eingeschraubt ist. In der Verschlussschraube 47 ist eine Ventilfeder 48 angeordnet, die auf den kugelförmigen Ventilkörper 49 wirkt. Der kugelförmige Ventilkörper 49 interagiert mit einem konischen Ventilsitz 50, der in eine Ventilöffnung 51 mündet. In der Ventilöffnung 51 ist ein ebenfalls kugelförmiger Schließkörper 52 angeordnet. Das erste Ablassventil 41 ist in Fig. 4 in der geschlossenen Stellung gezeigt und das zweite Ablassventil 42 in der geöffneten Stellung. Zwischen dem Schieberstößel 39 des Steuerschiebers 35 und dem Steuerzylinder 36 ist hier der Ventildruckraum 45 ausgebildet, über den das aus dem oberen Druckraum 14 über das geöffnete zweite Ablassventil 42 ausströmende Hydraulikmittel an den Ölversorgungskanal 26 abgeführt wird, unter anderem, um das ausströmende Motoröl direkt zur Befüllung des unteren Druckraums 13 bereitzustellen.

[0055] Die Betätigung der Ablassventile 41 und 42 erfolgt mittels des Steuerschiebers 35. Der Steuerschieber 35 steht über die Steuerdruckleitung 31 hydraulisch mit dem Motorölkreislauf in Verbindung. Eine Erhöhung des Steuerdrucks im Motorölkreislauf wirkt stirnseitig auf die Steuerdruckfläche 40 des Steuerkolbens 37. Hierdurch wird der Steuerkolben 37 gegen die Wirkung der Rückstellfeder 32 in Richtung des Ventildruckraums 45 bewegt. Der Schieberstößel 39 weist im oberen Bereich einen Anschlagring 53 auf, der in einer entsprechenden Nut 44 angeordnet ist und die zweite Stellung vorgibt.

[0056] Zum Abgrenzen des vom Steuerkolben 37 definierten Steuerdruckraums 38 ist eine Verschlusskappe 46 vorgesehen. Der Steuerschieber 35 weist eine Schaltkontur 54 mit zwei im Querschnitt (Schnittebene parallel zur Steuerschieberachse A;:) rautenförmigen Erhöhungen auf, die jeweils auf die zugehörigen Schließkörper 52 wirken, der dann in der Folge die zugehörigen Ventilkörper 49 bewegt. In der in Fig. 4 dargestellten Stellung des Steuerschiebers 35 ist ausreichend Spiel zwischen dem Schieberstößel 39, bzw. der Schaltkontur 54 und dem Schließkörper 52 des ersten Ablassventils 41 vorhanden, sodass der Ventilkörper 49 sicher auf dem Ventilsitz 50 aufsitzt. Der im zweiten Ablassventil 42 zugeordnete Schließkörper 52 weist in der in Fig. 4 dargestellten Stellung des Steuerschiebers 35 eine angehobene Stellung auf. Der Schließkörper 52 wirkt somit auf den Ventilkörper 49 des zweiten Ablassventils 42 und hebt den Ventilkörper 49 und die zugehörige Ventilfeder 48 aus dem Ventilsitz 50. Das zweite Ablassventil 42 ist hierdurch geöffnet. Entsprechend kann das Motoröl aus dem oberen Druckraum 14 abfließen, während der untere Druckraum 13 gesperrt ist.

[0057] Bewegt sich der Steuerschieber 35 durch den ansteigenden Steuerdruck des Motoröls im Steuerdruckraum 38 in Richtung des Ventildruckraums 45, dann gleitet der Schließkörper 52 des zweiten Ablassventils 42 an der Schaltkontur 54 nach unten in eine entspannte Position und gibt dem zugehörigen Ventilkörper 49 frei, sodass die Ventilfeder 48 den Ventilkörper 49 auf den Ventilsitz 50 drückt. Anschließend gleitet der Schließkörper 52 des ersten Ablassventils 41 an der Schaltkontur 54 nach oben, wodurch sich der zugehörige Ventilkörper 49 von der Achse As des Steuerschiebers 35 weggedrückt wird. Gleichzeitig drückt sich die zugehörige Ventilfeder 48 zusammen und der Ventilkörper 49 hebt von dem Ventilsitz 50 ab. Hierdurch wird das Steuerventil 34 in die zweite Ventilstellung gedrückt, die in der kurzen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 resultiert.

[0058] An dem in Fig. 4 gezeigten Schieberstößel 39 des Steuerschieber 35 können verschiedene Maßnahmen zur Optimierung der Masse des Schieberstößels 39 vorgesehen sein. Im mitt-

leren Bereich der am Schieberstößel 39 vorgesehenen Schaltkontur 54 ist eine trapezförmige Einschnürung 55 vorgesehen, die zwischen den beiden erhabenen Bereichen der Schaltkontur 54, die mit den beiden Ablassventilen 41, 42 in Beziehung stehen und die Führung des Steuerschiebers 35 im Steuerzylinder 36 ermöglichen, angeordnet ist. Darüber hinaus kann der obere Abschnitt des Schieberstößels 39 im Bereich der Rückstellfeder 32 mit einem geringeren Durchmesser versehen sein. Aufgrund dieser für diesen Schieberstößel 39 gezielt vorgenommenen Gewichts- bzw. Volumenreduktionen lässt sich die Masse des Schieberstößels 39 sehr deutlich reduzieren, sodass über ein gezieltes Hinzufügen eines separaten Steuerkolbens 37 mit einem spezifisch angepassten Gewicht der Steuerschieber 35 des hydraulischen Steuerventils 34 auf verschiedenste Anwendungsfälle hin justiert werden kann.

[0059] Die auf den Steuerschieber 35 wirkenden Beschleunigungskräfte sind von dem jeweiligen Design der längenverstellbaren Pleuelstange 1 und der hydraulischen Steuereinrichtung 21, aber auch von dem jeweiligen Kolbenmotor abhängig. Uber die Beschleunigungskräfte können daher aufgrund der Gesamtmasse des Steuerschiebers 35 erhebliche Kräfte auf den Steuerschieber 35 und auf die Rückstellfeder 32 wirken, weshalb die Masse des Steuerschiebers 35 möglichst klein gehalten und auf den jeweiligen Einsatz ausgelegt werden sollte, um eine optimale Anpassung an den jeweiligen Kolbenmotor zu ermöglichen.

[0060] Die größere Schnittansicht des oberen Abschnitts des Steuerschiebers 35 in Fig. 5a zeigt deutlich die Spielbassung zwischen dem Steuerkolben 37 und dem Schieberstößel 39. Der Steuerkolben 37 ist mit seiner Stößelbohrung 56 verschiebbar auf der Kolbenaufnahme 58 des Schieberstößels 39 angeordnet, wobei die Spielpassung in radialer Richtung zur Steuerschieberachse As zwischen der Kolbenaufnahme 58 und der Stößelbohrung maximal 20 um beträgt. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser der Kolbenaufnahme 58 des Schieberstößels 39 und der Stößelbohrung 56 des Steuerkolbens 37 ist bevorzugt kleiner als 50 um (insbesondere kleiner als 25 um), sodass sich bei einer konzentrischen Anordnung der Stößelbohrung 56 zur Steuerschieberachse As bzw. zur Kolbenaufnahme 58 ein gleichmäßiger Ringspalt der Spielpassung von maximal 25 um (12,5 um) ergibt.

[0061] Zur Fixierung des Steuerkolbens 37 auf der Kolbenaufnahme 58 des Schieberstößels 39 ist eine Schraubenmutter 59 vorgesehen, die den Steuerkolben 37 sicher zwischen der Schulter 57 und der Schraubenmutter 59 auf der Kolbenaufnahme 58 hält. Dazu ist die Schraubenmutter 59 auf dem mit einem Gewinde 60 versehenen Ende des Schieberstößels 39 aufgeschraubt, wobei das Ende des Gewindes 60 in Richtung der Steuerschiebeachse As nicht über die seitlichen Spitzen des tassenförmigen Steuerkolbens 37 übersteht.

[0062] Der von der Schraubenmutter 59 auf der Kolbenaufnahme 58 des Schieberstößels 39 gesicherte Steuerkolben 37 weist auch in axialer Richtung der Steuerschieberachse As ein Spiel auf. Das axiale Spiel zwischen dem Steuerkolben 37 und der Schulter 57 des Schieberstößels 39 bzw. der Schraubenmutter 59 ist bevorzugt kleiner als 50 um (insbesondere kleiner als 25 um), sodass sich bei einer mittigen Anordnung des Steuerkolbens 37 auf der Kolbenaufnahme 58 zwischen der Schraubenmutter 59 und dem Steuerkolben 37, sowie der Schulter 57 des Schieberstößels 39 und dem Steuerkolben 37 jeweils einen Spalt von maximal 25 um (12,5 um) ausbildet.

[0063] Wie in der vergrößerten Schnittansicht des radialen und axialen Spiels zwischen dem Steuerkolben 37 und dem Schieberstößel 39 bzw. der Schraubenmutter 59 in Fig. 5b gut zu erkennen ist, bildet sich durch die Spielpbassungen ein Leckagespalt 61 aus, durch den im Betrieb Hydraulikmittel aus dem Steuerdruckraum 38 in dem Ventildruckraum 45 strömen kann. Je nach Koaxialität zwischen dem Steuerkolben 37 bzw. dessen Stößelbohrung 56 und dem SchieberstöBel 39 bzw. dessen Kolbenaufnahme 58, sowie in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis zwischen der durch die Rückstellfeder 32 auf den Steuerkolben 37 wirkenden Rückstellkraft und der über das Hydraulikmittel im Steuerdruckraum 38 wirkenden Steuerdruckkraft ergibt sich im schlechtesten Fall ein Leckagespalt 61 mit einem gleichmäßigen Spaltmaß von höchstens 20 um. Da eine Leckageströmung des Hydraulikmittels aus dem Steuerdruckraum 38 in dem Ventildruckraum 45 zunächst radial nach innen, da koaxial zur Steuerschiebeachse As und wieder radial

nach außen gerichtet ist, ergibt sich durch die Strömungsbeschleunigung und -verzögerung, SOwie die Strömungsumlenkung eine signifikante Dämpfung der Leckageströmung, So dass ausgehend von dem geringen Spaltmaß des Leckagespalts 61, der starken Strömungsumlenkung und der Strömungsdämpfung davon ausgegangen werden kann, dass ein Leckagestrom durch den Leckagespalt 61 vernachlässigbar oder zumindest unproblematisch ist.

[0064] Die Spielbassung zwischen dem Steuerkolben 37 und dem Schieberstößel 39 bzw. das radiale Spiel zwischen der Kolbenaufnahme 58 und der Stößelbohrung 56 erlaubt es, die Koaxialitätsanforderung des Steuerkolbens 37 gegenüber dem Schieberstößel 39 deutlich zu reduzieren, was die Herstellung des Steuerkolbens 37 und des Schieberstößels 39 als separate Bauteile erst ermöglicht. Weiter lassen sich durch einen solchen erfindungsgemäßen Steuerschieber 35 Koaxialitätsprobleme zwischen den verschiedenen Bereichen des als Stufenbohrung ausgebildeten Steuerzylinders 36 kompensieren.

Österreichisches

BEZUGSZEICHENLISTE

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

längenverstellbare Pleuelstange unteres Pleuelteil oberes Pleuelteil Pleuelauge Lagerschale Pleuelkopf Pleuelauge Kolbenstange Verstellkolben Zylinder-Kolben-Einheit Gehäuse

Zylinder

Druckraum Druckraum Zylinderdeckel Stangendichtung Kolbendichtung Kolbendichtung Sicherungsring Zylinderboden hydraulische Steuereinrichtung Hydraulikmittelleitung Hydraulikmittelleitung Rückschlagventil Rückschlagventil Ölversorgung 3/2-Wegeventil Drossel

Drossel

Anschlüsse Steuerdruckleitung Rückstellfeder Abströmkanal Steuerventil Steuerschieber Steuerzylinder

AT 522 194 B1 2020-12-15

Steuerkolben Steuerdruckraum Schieberstößel Steuerdruckfläche Ablassventil Ablassventil Pleuelschraube

Nut

Ventildruckraum Verschlusskappe Verschlussschraube Ventilfeder Ventikörper Ventilsitz Ventilöffnung Schließkörper Anschlagring Schaltkontur Einschnürung Stößelbohrung Schulter Kolbenaufnahme Schraubenmutter Gewinde Leckagespalt

Achse der Kurbelwelle Steuerschieberachse Pleuellängsachse

AT 522 194 B1 2020-12-15

Claims (15)

Patentansprüche

1. Längenverstellbare Pleuelstange (1) für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange (1) eine hydraulische Steuereinrichtung (21) zum Einstellen der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange (1) aufweist und die hydraulische Steuereinrichtung (21) ein hydraulisches Steuerventil (34) mit einem Steuerzylinder (36), einem Steuerschieber (35) und mindestens einem vom Steuerschieber (35) betätigbaren Ablassventil (41, 42) aufweist, wobei der Steuerschieber (35) einen in dem Steuerzylinder (36) verschiebbar geführten, mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbaren Steuerkolben (37) und einen Schieberstößel (39) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) und der Schieberstößel (39) als separate Bauteile ausgeführt sind und der Schieberstößel (39) eine Kolbenaufnahme (58) aufweist, wobei der Steuerkolben (37) in einer Spielpassung verschiebbar mit radialem Spiel orthogonal zu einer Steuerschieberachse (As) und axialem Spiel parallel zur Steuerschieberachse (As) auf der Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) angeordnet ist.

2. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) eine Stößelbohrung (56) aufweist, wobei die Stößelbohrung (56) des Steuerkolbens (37) der Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) zugeordnet ist, und wobei das radiale Spiel der Spielbassung zwischen der Stößelbohrung (56) und der Kolbenaufnahme (58) kleiner als 50 um, bevorzugt kleiner als 25 um ist.

3. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein axiales Spiel des Steuerkolbens (37) auf der Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) vorgesehen ist, wobei das axiale Spiel kleiner als 50 um, bevorzugt kleiner als 25 um ist.

4. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) eine Schulter (57) zur Anlage des Steuerkolbens (37) aufweist.

5. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schraubenmutter (59) vorgesehen ist, um den Steuerkolben (37) auf der Kolbenaufnahme (58) des Schieberstößels (39) zu positionieren.

6. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) tassenförmig ausgebildet ist und bevorzugt als ein Stanz-Biege-Teil mit einer gestanzten Stößelbohrung (56) ausgeführt ist.

7. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) stirnseitig an dem Schieberstößel (39) angeordnet ist und der Schieberstößel (39) sich von dem stirnseitig angeordneten Steuerkolben (37) in Richtung der Steuerschieberachse (As) durch den Steuerzylinder (36) erstreckt, wobei der Schieberstößel (39) eine Schaltkontur (54) aufweist, um das mindestens eine Ablassventil (41, 42) zu betätigen, und bevorzugt rotationssymmetrisch zur Steuerschieberachse (As) ausgebildet ist.

8. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieberstößels (39) ein masseoptimierter Schieberstößel (39) ist, wobei die Masse des Schieberstößels (39) reduziert ist aufgrund der Materialwahl des Schieberstößels (39) oder aufgrund einer mit mindestens einer Einschnürung (55) versehenen Kontur (54) des Schieberstößels (39) dessen Masse maximal dem 0,93fachen, bevorzugt maximal dem 0,85-fachen des Hüllvolumens der Kontur (54) des Schieberstößels (39) multipliziert mit der Dichte von Stahl (7,85 g/mm®) entspricht.

9. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) als Zusatzmasse für den Steuerschieber (35) ausgebildet ist.

10. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Steuerventil (34) eine Rückstellfeder (32) aufweist, um den Steuerschieber (35) in einer ersten Ausgangsstellung zu halten oder in die erste Ausgangsstellung rückzustellen, wobei die Rückstellfeder (32) bevorzugt um den Schieberstößels (39) herum angeordnet ist und sich an dem Steuerkolben (37) abstützt.

11. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (35) geneigt zur Längsachse (A) der Pleuelstange (1) und/oder geneigt zur Normalen der Längsachse (A) der Pleuelstange (1) angeordnet ist, wobei die Steuerschieberachse (As) bevorzugt in einem Winkel zwischen 15° und 75° angeordnet ist.

12. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Pleuelteile (2, 3) vorgesehen sind, wobei das erste Pleuelteil (3) ein erstes Pleuelauge (7) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und das zweite Pleuelteil (2) ein zweites Pleuelauge (4) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens aufweist, und wobei das erste Pleuelteil (3) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (2) in Längsrichtung (A) der Pleuelstange (1) bewegbar ist, bevorzugt teleskopierbar, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen zu verstellen.

13. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit der hydraulischen Steuereinrichtung (21) hydraulisch verbundene Zylinder-Kolben-Einheit (10) vorgesehen ist, um das erste Pleuelteil (3) relativ zum zweiten Pleuelteil (2) zu bewegen, wobei das erste Pleuelteil (3) mit einem Verstellkolben (9) der Zylinder-Kolben-Einheit (10) verbunden ist und das zweite Pleuelteil (2) eine Zylinderbohrung (12) der Zylinder-Kolben-Einheit (10) aufweist.

14. Gebauter Steuerschieber (35) für eine längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Steuerkolben (37), der in einem Steuerzylinder (36) verschiebbar und mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbar ist, sowie mit einem separat hergestellten Schieberstößel (39) mit einer Kolbenaufnahme (58), wobei der separat hergestellte Steuerkolben (37) auf der Kolbenaufnahme (58) angeordnet ist.

15. Kolbenmotor mit mindestens einem Motor-Zylinder, einem sich in dem Motor-Zylinder bewegenden Hubkolben und mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in dem Motor-Zylinder, sowie mit einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen