DE102010061363A1

DE102010061363A1 - Umschaltventil und Verbrennungsmotor mit einem derartigen Umschaltventil sowie Verfahren zur Steuerung des Umschaltventils

Info

Publication number: DE102010061363A1
Application number: DE102010061363A
Authority: DE
Inventors: Michael Paul
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: DE102010061363B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umschaltventil (110) zum Steuern eines Fluidstroms, mit einer Schaltmechanik (150), welche dazu ausgelegt ist, das Umschaltventil (110) wahlweise in eine erste und eine zweite Schaltstellung zu verlagern, wodurch jeweils ein erster Arbeitsraum bzw. ein zweiter Arbeitsraum (82, 92) mit einem Volumen (120) in Fluidverbindung bringbar ist, wobei eine Verlagerung in die erste und/oder die zweite Schaltstellung auf Grundlage von Umgebungsvariablen erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umschaltventil zum Steuern eines Fluidstroms und einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Umschaltventil sowie ein Verfahren zur Steuerung des Umschaltventils.
Obwohl auf beliebige Fahrzeuge anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf ein Personenkraftfahrzeug näher erläutert.
Bei Verbrennungsmotoren wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein so genanntes ”Klopfen” des Verbrennungsmotors vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich des Verbrennungsmotors, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein ”Klopfen” auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich eines Verbrennungsmotors kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind verschiedene Systeme beschrieben.
Die DE 10 2005 055 199 beschreibt ein System, bei dem die Pleuellänge variabel einstellbar ist. Die Variation der Pleuellänge erfolgt durch eine Verdrehung eines exzentrischen Pleuelauges. Die Verdrehung des Pleuelauges wird durch Einwirken von Massen- und Gaskräften des Verbrennungsmotors initiiert, wobei die Drehbewegung durch mit Motoröl beaufschlagte Kolben im Pleuel unterstützt wird. Zur Regelung der Drehbewegung des exzentrischen Pleuelauges wird jeweils einer der Kolben mit Motoröl druckbeaufschlagt, während der andere Kolben drucklos geschaltet ist. Die Ansteuerung der Kolben erfolgt über ein 3/2-Wegeventil. Zur Umschaltung des 3/2-Wegeventils muss dieses mechanisch betätigt werden. Hierzu ist eine aufwändige Lösung aus Kulissenbahnen, Schalt- und Schiebestangen, die beispielsweise von außen elektromotorisch angesteuert werden, vorgesehen. Dies erfordert jedoch umfangreiche Änderungen am Verbrennungsmotor.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Umschaltventil zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile beseitigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Umschaltventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des. Patentanspruchs 13 und/oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
Demgemäß sind vorgesehen:
Ein Umschaltventil, insbesondere zum Steuern eines Fluidstroms, mit einer Schaltmechanik bzw. Steuermechanik, welche dazu ausgelegt ist, das Umschaltventil wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung zu verlagern, wodurch jeweils ein erster Arbeitsraum bzw. ein zweiter Arbeitsraum mit einem Volumen in Fluidverbindung bringbar ist, wobei eine Verlagerung in die erste und/oder die zweite Schaltstellung auf Grundlage von Umgebungsvariablen erfolgt.
Ein Verbrennungsmotor, welcher ein einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit: einem derartigen Umschaltventil; und einer Pleuelstangenanordnung mit einer in einem Pleuellagerauge und/oder einem Hublagerauge angeordneten hydraulisch verstellbaren Exzentereinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei ein Verstellweg der Exzentereinrichtung mittels des Umschaltventils steuerbar ist.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Umschaltventils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Detektieren von Umgebungsvariablen, welche momentan in einem Verbrennungsmotor herrschen; Vergleichen der detektierten Umgebungsvariablen mit vorbestimmten Schwellenwerten; aufgrund des Vergleichens Steuern des Umschaltventils, so dass das Umschaltventil in eine erste oder zweite Schaltstellung verlagert wird.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Umschaltventil vorzusehen, bei welchem in einer ersten Schaltstellung ein erster Arbeitsraum mit einem Volumen in Fluidverbindung steht, und in einer zweiten Schaltstellung ein zweiter Arbeitsraum mit dem Volumen in Fluidverbindung steht, wobei für einen Übergang von der ersten Schaltstellung in die zweite und umgekehrt das Umschaltventil in eine dritte Schaltstellung verlagerbar ist, bei welcher ein momentan in Fluidverbindung mit dem Volumen stehender Arbeitsraum in dieser Fluidverbindung verbleibt, bis die andere Schaltstellung erreicht ist, wobei eine Verlagerung in die erste und/oder die zweite Schaltstellung auf Grundlage von Umgebungsvariablen erfolgt.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Umschaltventils bzw. des im Patentanspruch 13 angegebenen Verbrennungsmotors.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Umgebungsvariablen wenigstens als eine Motordrehzahl und/oder ein Motoröldruck und/oder ein Verdichtungsverhältnis und/oder eine Motorlast eines Verbrennungsmotors in einem Momentan-Betriebszustand des Verbrennungsmotors ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind momentane Werte der Umgebungsvariablen durch Sensoren, insbesondere Drucksensoren, erfassbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Umschaltventil in einem Nicht-Betriebszustand in entweder die erste Schaltstellung oder die zweite Schaltstellung verlagert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Umschaltventil eine Fluidnut zur Herstellung der Fluidverbindung des ersten bzw. zweiten Arbeitsraums mit dem Volumen auf. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache Herstellung des Umschaltventils und. gleichzeitig ein einfaches Umschalten von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Fluidnut derart bemessen, dass eine momentan bestehende Fluidverbindung des ersten bzw. zweiten Arbeitsraums mit dem Volumen aufrechterhalten bleibt, wenn das Umschaltventil in der dritten Schaltstellung ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass bei einem bevorstehenden Umschalten von der ersten oder zweiten Schaltstellung in die zweite oder erste Schaltstellung eine momentane bzw. bestehende Fluidverbindung solange bestehen bleibt, bis tatsächlich nach dem Übergang über die dritte Schaltstellung die vorbestimmte Schaltstellung erreicht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Verlagerung des Umschaltventils in eine jeweilige Schaltstellung durch einen Betätigungsdruck bzw. Schaltdruck auf die Schaltmechanik auslösbar. Hierdurch ist ein Verlagern des Umschaltventils durch die Schaltmechanik kontrolliert ausführbar. Die Begriffe. „Betätigungsdruck” und „Schaltdruck” sollen hier gleichbedeutend verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Betätigungsdruck durch einen Fluiddruck aufbringbar. Hierdurch ist das Verlagern des Umschaltventils durch die Schaltmechanik in einfach kontrollierbarer Weise ausführbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zum Verlagern des Umschaltventils in die erste, die zweite und die dritte Schaltstellung jeweils ein bestimmter Fluiddruck aufbringbar. Dies ermöglicht ein zuverlässiges und sicheres Umschalten von der ersten in die zweite Schaltstellung und umgekehrt, wodurch sich die Zuverlässigkeit des Umschaltventils erhöht, da das Umschalten von einem bestimmten vorbestimmbaren und steuerbaren Druckwert abhängt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schaltmechanik eine Kugelschreibermechanik. Die Kugelschreibermechanik ist besonders vorteilhaft, da sie in besonders einfacher Weise herstellbar ist, und ein sicheres und zuverlässiges Umschalten ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Schaltmechanik derart ausgebildet, dass ein Betätigen des Umschaltventils erst bei einem Betätigungsdruck oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes erfolgt. Dies verhindert zuverlässig ein ungewolltes Schalten des Umschaltventils, wodurch dessen Zuverlässigkeit erhöht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Umschaltventil in die Pleuelstangenanordnung, insbesondere in einen Bereich des Hublagerauges, integriert, wodurch das Umschaltventil nur geringen Bauraum einnimmt. Hierdurch wird der Einsatzbereich des Umschaltventils vorteilhaft erweitert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betätigungsdruck durch einen Motoröldruck aufbringbar, wobei der Verbrennungsmotor Mittel, beispielsweise eine regelbare Ölpumpe oder einen Druckspeicher oder eine Zusatzölpumpe, zum kurzzeitigen Erhöhen des Motoröldrucks aufweist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Integration des Umschaltventils in vorhandene Motorölsysteme, wodurch der Einsatzbereich des Umschaltventils erweitert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden durch einen Schritt des Detektierens wenigstens eine Motordrehzahl, ein Motoröldruck und/oder ein Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors in einem Momentan-Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden durch den Schritt des Detektierens momentane Werte der Umgebungsvariablen durch Sensoren, insbesondere Drucksensoren, erfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Verlagern des Umschaltventils in einem Nicht-Betriebszustand in eine vorbestimmte Schaltstellung, d. h. entweder in die erste Schaltstellung oder in die zweite Schaltstellung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
Von den Figuren zeigt:
1 Querschnittansichten einer Pleuel-Kolben-Anordnung mit einem Umschaltventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen;
2 eine Detailansicht der Pleuel-Kolben-Anordnung in einem in 1 gezeigten Betriebszustand;
3 eine Detailansicht eines Umschaltventils der Pleuel-Kolben-Anordnung aus 1 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine weitere Detailansicht des Umschaltventils der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß der 3;
5a das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß der 3 in einer ersten Schaltstellung;
5b das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß der 3 in einer zweiten Schaltstellung;
5c das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß der 3 in einer dritten Schaltstellung;
6a ein Motorlast-/Drehzahl-Schaltdiagramm für das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6b ein Öldruck-/Drehzahl-Schaltdiagramm für das Umschaltventil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Steuerung des Umschaltventils der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt für ein erfindungsgemäßes Umschaltventil eine Pleuel-Kolben-Anordnung 10 in zwei Betriebszuständen A und B, wobei in Betriebszustand B die Pleuel-Kolben-Anordnung 10 nur teilweise dargestellt ist, um den wesentlichen Unterschied zwischen Betriebszustand A und B zu verdeutlichen.
Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist ein erfindungsgemäßes Umschaltventil hier zunächst weggelassen. Die Pleuel-Kolben-Anordnung 10 besteht aus einer Pleuelstange 20 mit einem Hublagerauge 30. Mit der Pleuelstange 20 ist ein Kolben 40 gekoppelt, welcher um eine Mittelpunktsachse 45 eines Pleuellagerauges 46 schwenkbar ist, allerdings in exzentrischer Weise, da eine Mittelpunktsachse 50 einer Kolbenbolzenbohrung 60 des Kolbens 40 von der Mittelpunktsachse 45 des Pleuellagerauges 46 beabstandet ist. Durch eine Exzentereinrichtung 65 mit einem Exzenterkörper 70 und an dem Exzenterkörper 70 angelenkten Exzenterstangen 80 und 90 kann eine Position des Kolbens 40 relativ zum Pleuel 20 verändert werden, um so nach Bedarf eine höhere oder niedrigere Verdichtung zu erzeugen.
Die Funktionsweise der Exzenterstangen 80, 90 wird weiter unten mit Bezug auf 2 erläutert. Jedoch ist in 1 zu erkennen, dass abhängig von einer Position der Exzenterstangen 80, 90 im mit A bezeichneten Betriebszustand der Kolben 40 relativ zum Pleuel 20 weiter absteht, und somit eine Verdichtung maximal ist, und im mit B bezeichneten Betriebszustand der Kolben 40 relativ zum Pleuel 20 näher ist, und somit eine Verdichtung minimal ist.
In 2 ist die Pleuelstange 20 im Querschnitt dargestellt, wobei wiederum das Hublagerauge 30, das Pleuellagerauge 46 mit seiner Mittelpunktsachse 45, der Exzenterkörper 70 und die daran angelenkten Exzenterstangen 80 und 90 zu erkennen sind. Die Exzenterstangen 80, 90 sind mit Kolben 81 bzw. 91 in einem ersten Arbeitsraum 82 bzw. in einem zweiten Arbeitsraum 92 führbar. Die Arbeitsräume 82, 92 können über Hydraulikleitungen 85, 95 mit einem Fluid, beispielsweise Motoröl, wechselweise befüllt werden, so dass, wenn einer der Arbeitsräume 82, 92 mit Fluid. beaufschlagt wird, der darin befindliche Kolben 81 bzw. 91 entsprechend verlagert wird, und somit Exzenterstange 80 bzw. 90 den Exzenterkörper 70 verschwenkt, was eine Änderung der Kolbenposition relativ zum Pleuel und somit eine geänderte Verdichtung zur Folge hat.
Im in 2 dargestellten Beispiel ist Arbeitsraum 92 mit Fluid beaufschlagt, während Arbeitsraum 82 leer ist.
Der in 2 gezeigte Zustand entspricht dem Zustand B in 1, da eine effektive Länge l_eff zwischen einer Mittelpunktsachse 100 des Hublagerauges 30 und der Mittelpunktsachse 50 der (hier nicht dargestellten) Kolbenbolzenbohrung minimal ist.
Damit ein wechselweises Befüllen der Arbeitsräume 82 bzw. 92 erfolgen kann, ist ein Umschaltventil 110 vorgesehen, welches in 2 nur schematisch dargestellt ist, und detailliert mit Bezug auf 3 erläutert werden soll.
Prinzipiell sorgt das Umschaltventil 110 dafür, dass der erste Arbeitsraum 81 über eine Fluidleitung 86 bzw. der zweite Arbeitsraum 92 über eine Fluidleitung 96 wechselweise mit einem Volumen 120, welches beispielsweise dem Motorinnenraum (d. h. Kurbelwellengehäuse) und/oder dem Hublager des Hublagerauges 30 entspricht, in Fluidverbindung gebracht wird. Das heißt, das Umschaltventil 110 kann, wie in 2 dargestellt ist, die Fluidleitung 96 sperren, so dass der Arbeitsraum 92 mit Fluid über die Fluidleitung 95 befüllbar ist. Gleichzeitig ist die Fluidleitung 86 des Arbeitsraumes 82 über das Umschaltventil 110 geöffnet, so dass über die Fluidleitung 85 in den Arbeitsraum 82 strömendes Fluid wieder über eine hier nicht dargestellte Entlüftungsbohrung in das Volumen 120 entweichen kann, wobei das Volumen 120 der Motorinnenraum oder das Hublager oder beides sein kann. Somit kann sich im ersten Arbeitsraum 82 kein Druck aufbauen, um die Exzenterstange 80 zu verschieben. Da eine entsprechende Entlüftungsbohrung für den zweiten Arbeitsraum 92 durch das Umschaltventil 110 gesperrt ist, kann das über Fluidleitung 95 hineinströmende Fluid nicht entweichen, und es baut sich ein Druck im zweiten Arbeitsraum 92 auf, welcher die Exzenterstange 90 verschieben lässt, und somit den Exzenterkörper 70 mit dem daran gekoppelten (hier nicht dargestellten) Kolben verschwenkt.
Durch einen in 2 dargestellten Pfeil I wird angedeutet, dass auf das Umschaltventil ein Betätigungsdruck erfolgen muss, damit das Umschaltventil 110 sich von einer Schaltstellung in eine nächste verlagert, um so entsprechend eine Fluidverbindung der Arbeitsräume 82, 92 mit dem Volumen 120 herzustellen oder nicht.
3 zeigt eine Detailansicht des Umschaltventils 110 aus 2. Dabei sei angemerkt, dass der besseren Darstellbarkeit wegen das in 3 gezeigte Umschaltventil 110 um 90° gegenüber der Darstellung des in 2 gezeigten Umschaltventils 110 gedreht ist.
Das Umschaltventil 110 sitzt in einem Ventilblock 130 des in 2 gezeigten Pleuels 20, und ist in einer Ventilbohrung 140 nach rechts und links, bezogen auf die 3, verlagerbar. Das Umschaltventil 110 umfasst eine Steuermechanik 150, bestehend aus Betätigungsmittel bzw. Druckstempel 160, Steuerhülse 170 und Verdrehhülse 180. Die Steuermechanik 150 funktioniert in der Art einer Kugelschreibermechanik, auf deren grundsätzliche funktionelle Details hier nicht näher eingegangen werden soll, da diese unter anderem von der Anmelderin bereits anderswo ausführlich beschrieben sind. Außer einer Kugelschreibermechanik sind natürlich auch andere Steuermechaniken denkbar.
Weiterhin umfasst das Umschaltventil 110 einen Steuerkolben 190, welcher mit der Steuermechanik 150 an einem Ende gekoppelt ist. Am anderen Ende des Steuerkolbens 190 befindet sich eine Federeinrichtung 200, welche den Steuerkolben 190 vorspannt. Rings um den Steuerkolben 190 läuft eine Fluidnut 210, welche je nach Schaltstellung des Umschaltventils 110 mit Fluidleitungen 96, 96' bzw. 86, 86' in Fluidverbindung gebracht werden kann. Hierbei sind die Fluidleitungen 86, 96 die in 2 gezeigten Fluidleitungen 86, 96, und die Fluidleitungen 86' und 96' sind die oben bereits erwähnten aber bisher nicht dargestellten Entlüftungsbohrungen zum Motorinnenraum und/oder Hublager hin. Das in 3 dargestellte Beispiel zeigt somit den in 2 gezeigten Zustand, wo der erste Arbeitsraum 82 mit Fluidleitung 86 durch das Umschaltventil 110 in Fluidverbindung mit dem Motorinnenraum bzw. Volumen 120 steht, und zwar über Entlüftungsbohrung bzw. Fluidleitung 86'. In dieser Schaltstellung des Umschaltventils 110 ist die Fluidleitung 96 durch den Steuerkolben 190 entsprechend gesperrt, der zweite Arbeitsraum 92 in 2 ist nicht in Fluidverbindung mit dem Volumen 120 und kann deshalb mit Fluid unter Druck gesetzt werden, während der erste Arbeitsraum 82 (siehe 2) drucklos bzw. druckärmer geschaltet ist.
In 4 ist das Umschaltventil 110 aus seiner Führung, d. h. Ventilbohrung, losgelöst dargestellt, und zwar in Bezug auf 3 in einer weiteren Schaltstellung. Dies ist daran zu erkennen, dass die Steuerhülse 170 gegenüber der 3 in einer anderen Position ist. Hierbei ist, entsprechend einer als bekannt vorausgesetzten Kugelschreibermechanik, eine gezahnte Ringfläche 220 des Druckstempels 160 sowie Verdrehhülsenrippen 230 der Verdrehhülse 180 zu erkennen.
Wie in 3 und 4 mit einem mit I bezeichneten Pfeil angedeutet (siehe auch 2), wird durch einen Betätigungsdruck I zum Verlagern des Umschaltventils 110 in eine Schaltstellung ein Druck ausgeübt, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Entsprechend einer solchen Kugelschreibermechanik sind eine erste und eine zweite Schaltstellung erzeugbar, wobei für einen Übergang von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und umgekehrt eine dritte Schaltstellung angenommen wird. Dies soll nun mit Bezug auf 5a bis 5c näher erläutert werden.
In 5a ist das Umschaltventil 110 mit der Federeinrichtung 200 schematisch in einer ersten Schaltstellung dargestellt. Dabei ist der (hier nicht dargestellte) zweite Arbeitsraum 96 mit Fluidleitung 96 drucklos bzw. druckärmer geschaltet, da über Fluidnut 210 und Fluidleitung 96' (Entlüftungsbohrung) eine Fluidverbindung zum Motorinnenraum besteht. Die Fluidverbindung ist in der 5a durch einen durchgehenden schattierten Streifen gekennzeichnet. Entsprechend ist der erste Arbeitsraum 82 (hier nicht dargestellt) nicht in Fluidverbindung mit dem Motorinnenraum, und somit auf Druck geschaltet, da der Steuerkolben 190 eine Fluidverbindung zwischen Fluidleitung 86 und Fluidleitung 86' unterbindet.
In 5b befindet sich das Umschaltventil 110 in einer zweiten Schaltstellung, wobei jetzt der (hier nicht dargestellte) erste Arbeitsraum 86 mit Fluidleitung 86 drucklos geschaltet ist, da über Fluidleitung 86' (Entlüftungsbohrung) eine Fluidverbindung zum Motorinnenraum besteht. Die Fluidverbindung ist in der 5b durch einen durchgehenden schattierten Streifen gekennzeichnet. Entsprechend ist auch der zweite Arbeitsraum 92 (hier nicht dargestellt) nicht in Fluidverbindung mit dem Motorinnenraum, und somit auf Druck geschaltet, da der Steuerkolben 190 eine Fluidverbindung zwischen Fluidleitung 96 und Fluidleitung 96' unterbindet.
Ein Übergang von der in 5a dargestellten ersten Schaltstellung in die in 5b dargestellte zweite Schaltstellung erfolgt über eine in 5c dargestellte dritte Schaltstellung. Ausgehend von der ersten Schaltstellung in 5a, wo der zweite Arbeitsraum 92 (in 5c nicht dargestellt) drucklos geschaltet ist, wirkt auf den Druckstempel 160 ein Betätigungsdruck Ip3 mit einem Druckwert p3, so dass der Steuerkolben 190 gegen die Kraft der Federeinrichtung 200 in der 5c nach links gedrückt wird. Dies ist zum einen an der im Vergleich zur Federeinrichtung 200 in 5a mehr zusammengedrückten Federeinrichtung 200 in 5c zu erkennen, zum anderen daran, dass der Druckstempel 160 aufgrund der Wirkungsweise der Kugelschreibermechanik 150 an die Steuerhülse 170 stößt. Entscheidend bei dieser dritten. Schaltstellung ist nun, dass, ausgehend von der ersten Schaltstellung in 5a, weiterhin eine Fluidverbindung des zweiten Arbeitsraums zum Motorinnenraum besteht, so dass der zweite Arbeitsraum während der dritten Schaltstellung drucklos geschaltet bleibt. Erst wenn der Druckwert des Betätigungsdrucks I von p3 auf einen kleineren Druckwert p2 geändert wird, wie es in 5b durch einen mit Ip2 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, verlagert sich das Umschaltventil 110 von der in 5c gezeigten dritten Schaltstellung in die in 5b gezeigte zweite Schaltstellung. Bei dieser zweiten Schaltstellung ist in 5b zu erkennen, dass die Federeinrichtung 200 relativ zu 5c entspannt ist, und die Steuerhülse 170 nun nicht mehr an den Druckstempel 160 stößt, sondern vielmehr an den Steuerkolben 190, was durch die als bekannt vorausgesetzte Wirkungsweise der Kugelschreibermechanik 150 zustande kommt.
Erreicht wird das Verbleiben des drucklos geschalteten Zustandes während der dritten Schaltstellung beispielsweise durch eine Dimensionierung der Fluidnut 210 derart, dass selbst bei einer Verlagerung des Umschaltventils 110 von der ersten Schaltstellung (5a) in die dritte Schaltstellung (5c), was in den 5a und 5c einer geringen Verschiebung des Umschaltventils 110 nach links entspricht, die Fluidnut 210 immer noch der Fluidleitung 96 für eine Fluidverbindung gegenübersteht. Entsprechendes gilt natürlich für die Verlagerung von der zweiten Schaltstellung (5b) in die dritte Schaltstellung.
In analoger Weise erfolgt ein Übergang zurück von der in 5b gezeigten zweiten Schaltstellung in die in 5a gezeigte erste Schaltstellung, wiederum über die in 5c gezeigte dritte Schaltstellung. Das heißt, es wirkt, ausgehend von der zweiten Schaltstellung mit einem auf den Druckstempel 160 wirkenden Betätigungsdruck mit Druckwert p2, zunächst ein Betätigungsdruck mit Druckwert p3 (5c), bis der Druckwert des Betätigungsdrucks I auf p1 geändert wird (5a), so dass das Umschaltventil 110 in die erste Schaltstellung (5a) übergeht.
Die Tatsache, dass bei einem Übergang von einer Schaltstellung (erste bzw. zweite) in die andere Schaltstellung (zweite bzw. erste) der jeweilige momentan drucklos geschaltete Arbeitsraum während der dritten Schaltstellung, welche auch als Aktuierungsphase bezeichnet werden kann, drucklos verbleibt, ist deshalb von Vorteil, da in beiden Situationen (erste Schaltstellung -> zweite Schaltstellung und umgekehrt) eine relativ niedrige Verdichtung gewährleistet ist, und es nicht zu einer unerwünschten relativ hohen Verdichtung kommen kann, was im schlimmsten Fall zu einem Motorschaden führen könnte. Deshalb wird eine solche Funktion, d. h. der Übergang über die Aktuierungsphase, auch als Fail-Safe- bzw. Notfall-Funktion bezeichnet, da ein im Motorinnenraum herrschender Versorgungsöldruck nun dauerhaft über Schaltöldrücke, d. h. Druckwerte p1, p2, p3, gelegt werden kann.
Als Erläuterung dazu sollen ergänzend die 6a und 6b dienen.
6a zeigt beispielhaft ein Motorlast-/Drehzahl-Diagramm, in dem Kennfeldbereiche für Verdichtungsverhältnisse ε für geringe Verdichtung (ε = low) und hohe Verdichtung (ε = high) aufgetragen sind. Das Verdichtungsverhältnis ε ergibt sich aus dem Quotienten aus (Hubraum + Verdichtungsraum) und Verdichtungsraum. Eine Kurve a mit durchgezogener Linie stellt die maximale Schwelle für die Motorlast in Abhängigkeit von der Drehzahl dar. Eine Kurve p_me1 mit gestrichelter Linie bezeichnet eine effektive mittlere Motorlast, die sich aus dem im Motorinnenraum herrschenden effektiven Mitteldruck multipliziert mit dem Hubraum des Motors ergibt. Oberhalb dieser Kurve p_me1 befindet sich ein Kennfeld mit ε = low, und unterhalb der Kurve p_me1 befindet sich ein Kennfeld mit ε = high. D. h. in einem Drehzahlbereich von etwa 1000 Umdrehungen/min bis zu einer Drehzahlschwelle n2 bei etwas weniger als 4000 Umdrehungen/min wird in Abhängigkeit von der Motorlast entweder – bei höherer Motorlast – in das Kennfeld mit niedriger Verdichtung (ε = low) geschaltet oder – bei niedrigerer Motorlast – in das Kennfeld mit hoher Verdichtung (ε = high) geschaltet, d. h. das Umschaltventil wird entsprechend geschaltet.
Für den Drehzahlbereich ab n2 kann in einer ersten Variante – abhängig von der Motorlast – entweder in ein Kennfeld mit niedriger Verdichtung (ε = low) oder in ein Kennfeld mit hoher Verdichtung (ε = high) geschaltet werden, wobei die beiden Kennfelder in 6a durch eine vorgebbare Motorlast-Umschaltschwelle M voneinander getrennt sind. In einer zweiten Variante kann der Drehzahlbereich ab n2 auch nur ein Kennfeld mit niedriger Verdichtung (ε = low) aufweisen, so dass die Verdichtung dort immer niedrig ist.
Entsprechend zeigt 6b Öldruckverläufe des Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl. Eine Kurve b zeigt den Öldruckverlauf für einen noch nicht betriebswarmen Motor, und eine Kurve c zeigt den Öldruckverlauf für den in erhöhter Betriebstemperatur befindlichen Motor. Mit p_motor ist ein Druckniveau (strichpunktierte Linie) für maximalen. Motoröldruck bezeichnet, welcher sich bei maximalen Drehzahlen ergibt. Um nun in dem Drehzahlbereich unterhalb der Drehzahlschwelle n2 das Umschaltventil in die eine oder andere Schaltstellung zu bringen, abhängig von den in 6a gezeigten Kennfeldern, wird entsprechend jeweils ein Druckniveau mit einem Druckwert p1, p2 oder p3 kurzfristig im Motorinnenraum erzeugt, beispielsweise durch eine Zusatzpumpe, beispielsweise eine regelbare Motorpumpe, und/oder einen Druckspeicher. Diese Drücke p1, p2, p3 entsprechen jeweils den Betätigungsdrücken Ip1, Ip2, Ip3 in den 5a, 5b, 5c. Die Drücke p1, p2, p3 liegen sämtlich über dem Druckniveau p_motor, so dass das Umschaltventil nur über die Drücke p1 bis p3 geschaltet wird. Eine Kurve p_schalt zeigt ein mögliches Schaltdruckniveau, und eine Kurve pmax zeigt ein durch die im Motor befindliche Ölpumpe maximal erzeugbares Druckniveau an.
Anhand von 7 wird nun eine Steuerung des Umschaltventils erläutert.
In einem Schritt 100 werden Umgebungsvariablen bzw. Werte von Umgebungsvariablen des Umschaltventils detektiert, wie z. B. eine momentane Drehzahl n, ein Öldruck p_öl und ein Verdichtungsverhältnis ε, d. h., ob dieses momentan hoch („high”) oder niedrig („low”) ist. Der Öldruck p_öl ist im Wesentlichen eine Funktion von Drehzahl, im Motor herrschender Temperatur und wahlweise effektivem Mitteldruck p_me. In einem Schritt 200 wird entschieden, ob der detektierte Wert für das Verdichtungsverhältnis ε, welches durch im Brennraum angeordnete Drucksensoren ermittelt wird, einem hohen Verdichtungsverhältnis (ε = high) oder einem niedrigen Verdichtungsverhältnis (ε = low) entspricht. Im ersten Fall verzweigt die Steuerung zu Schritt 300, d. h. in der Steuerung wird „vermerkt”, dass ε = high ist, was der einen Schaltstellung des Umschaltventils entspricht (z. B. zweite Schaltstellung). Im zweiten Fall verzweigt die Steuerung zu Schritt 400, d. h. in der Steuerung wird „vermerkt”, dass ε = low ist, was der anderen Schaltstellung des Umschaltventils entspricht (z. B. erste Schaltstellung).
Zunächst soll der erste Fall ab Schritt 300 weiterverfolgt werden. In einem Schritt 310 wird der detektierte momentane Drehzahlwert n mit einem Drehzahlschwellenwert n2 verglichen. Ist n größer oder gleich n2, verzweigt die Steuerung zu Schritt 320. Ist n kleiner als n2, verzweigt die Steuerung zu Schritt 330. Für den Fall n größer oder gleich n2 wird das Umschaltventil über einen Betätigungsdruck angesteuert (Schritt 340), und zwar mit einem Befehl „Schaltstellung 1” (Schritt 350), so dass die Verdichtung in einem Schritt 360 zu ε = low gesetzt wird.
Ausgehend von Schritt 330 wird in einem Schritt 370 der Wert für den zuletzt detektierten effektiven Mitteldruck p_me mit einem Schwellenwert p_me1 verglichen. Ist p_me größer oder gleich p_me1, verzeigt die Steuerung zu Schritt 380, für p_me kleiner p_me1 zu Schritt 390. Ausgehend von Schritt 380 erfolgt in Schritt 381 der Befehl, das Umschaltventil anzusteuern, und zwar mit dem Befehl „Schaltstellung 1”, so dass die Verdichtung in einem Schritt 383 zu ε = low gesetzt wird.
Ausgehend von Schritt 390 erfolgt in Schritt 391 der Befehl, das Umschaltventil nicht anzusteuern, wobei in Schritt 392 angezeigt wird, dass „Stellung 2” vorliegt, und die Verdichtung ε verbleibt in Schritt 393 auf ε = high.
Analog verläuft die Steuerung ausgehend von Schritt 400:
In einem Schritt 410 wird der detektierte momentane Drehzahlwert n mit einem Drehzahlschwellenwert n2 verglichen. Ist n größer oder gleich n2, verzweigt die Steuerung zu Schritt 420. Ist n kleiner als n2, verzweigt die Steuerung zu Schritt 430. Ausgehend von Schritt 420 erfolgt in Schritt 440 der Befehl, das Umschaltventil nicht anzusteuern, wobei in Schritt 450 angezeigt wird, dass „Stellung 1” vorliegt, und die Verdichtung ε verbleibt in Schritt 460 auf ε = low.
Ausgehend von Schritt 430 wird in einem Schritt 470 der Wert für den zuletzt detektierten effektiven Mitteldruck p_me mit einem Schwellenwert p_me1 verglichen. Ist p_me größer oder gleich p_me1, verzeigt die Steuerung zu Schritt 480, für p_me kleiner p_me1 zu Schritt 490. Ausgehend von Schritt 490 erfolgt in Schritt 491 der Befehl, das Umschaltventil anzusteuern, und zwar mit dem Befehl „Schaltstellung 2”, so dass die Verdichtung in einem Schritt 433 zu ε = high gesetzt wird.
Ausgehend von Schritt 480 erfolgt in Schritt 481 der Befehl, das Umschaltventil nicht anzusteuern, wobei in Schritt 482 angezeigt wird, dass „Stellung 1” vorliegt, und die Verdichtung ε verbleibt in Schritt 483 auf ε = low.
Nach den Schritten 360, 383, 393, 460, 483, 493 verzweigt die Steuerung jeweils wieder zu Schritt 100.
Es sei noch bemerkt, dass bei einer Abstellung des Motors der Wert für ε immer auf denselben Wert gesetzt wird, z. B. ε = low, d. h. Schaltstellung 1, so dass für die Steuerung bei einem erneuten Starten des Motors ein eindeutiger Zustand hinsichtlich der Schaltstellung des Umschaltventils vorliegt.
Bezugszeichenliste

10: Pleuel-Kolben-Anordnung
20: Pleuel
30: Hublagerauge
40: Kolben
45: Mittelpunktsachse Pleuellagerauge
46: Pleuellagerauge
50: Mittelpunktsachse Kolbenbolzenbohrung
60: Kolbenbolzenbohrung
65: Exzentereinrichtung
70: Exzenterkörper
80: Exzenterstange
81: Kolben
82: erster Arbeitsraum
85: Fluidleitung
86: Fluidleitung
86': Entlüftungsbohrung
90: Exzenterstange
91: Kolben
92: zweiter Arbeitsraum
95: Fluidleitung
96: Fluidleitung
96': Entlüftungsbohrung
100: Mittelpunktsachse Hublagerauge
110: Umschaltventil
120: Volumen/Motorinnenraum
130: Ventilblock
140: Ventilbohrung
150: Steuermechanik
160: Druckstempel
170: Steuerhülse
180: Verdrehhülse
190: Steuerkolben
200: Federeinrichtung
210: Fluidnut
220: gezahnte Ringfläche
230: Verdrehhülsenrippen
Ip1: Betätigungsdruck
Ip2: Betätigungsdruck
Ip3: Betätigungsdruck
a, b, c: Kurven
M: Motorlast-Umschaltschwelle
n₂: Drehzahlschwelle
p_motor: Druckniveau
p_schalt: Druckniveau
p_max: Druckniveau
p1, p2, p3: Druckwerte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005055199 [0004]

Claims

Umschaltventil (110) zum Steuern eines Fluidstroms, mit einer Schaltmechanik (150), welche dazu ausgelegt ist, das Umschaltventil (110) wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung zu verlagern, wodurch jeweils ein erster Arbeitsraum bzw. ein zweiter Arbeitsraum (82, 92) mit einem Volumen (120) in Fluidverbindung bringbar ist, wobei eine Verlagerung in die erste und/oder die zweite Schaltstellung auf Grundlage von Umgebungsvariablen erfolgt.
Umschaltventil (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Übergang von der einen Schaltstellung in die andere das Umschaltventil (110) in eine dritte Schaltstellung verlagerbar ist, bei welcher ein momentan in Fluidverbindung mit dem Volumen (120) stehender Arbeitsraum (82, 92) in dieser Fluidverbindung verbleibt, bis die andere Schaltstellung erreicht ist.
Umschaltventil (110) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsvariablen wenigstens als eine Motordrehzahl und/oder ein Motoröldruck und/oder ein Verdichtungsverhältnis und/oder eine Motorlast und/oder ein mittlerer Motoröldruck eines Verbrennungsmotors in einem Momentan-Betriebszustand des Verbrennungsmotors ausgebildet sind.
Umschaltventil (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass momentane Werte der Umgebungsvariablen durch Sensoren, insbesondere Drucksensoren, erfassbar sind.
Umschaltventil (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (110) in einem Nicht-Betriebszustand in entweder die erste Schaltstellung oder die zweite Schaltstellung verlagert ist.
Umschaltventil (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (110) eine Fluidnut (210) zur Herstellung der Fluidverbindung des ersten bzw. zweiten Arbeitsraums (82, 92) mit dem Volumen (120) aufweist.
Umschaltventil (110) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidnut (210) derart bemessen ist, dass eine momentan bestehende Fluidverbindung des ersten bzw. zweiten Arbeitsraums (82, 92) mit dem Volumen (120) aufrechterhalten bleibt, wenn das Umschaltventil (110) sich in der dritten Schaltstellung befindet.
Umschaltventil (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlagerung des Umschaltventils (110) in eine jeweilige Schaltstellung durch einen Betätigungsdruck (I) auf die Schaltmechanik (150) auslösbar ist.
Umschaltventil (110) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsdruck (I) durch einen Fluiddruck aufbringbar ist.
Umschaltventil (110) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verlagern des Umschaltventils (110) in die erste, die zweite und die dritte Schaltstellung jeweils ein bestimmter Fluiddruck aufbringbar ist.
Umschaltventil (110) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmechanik (150) derart ausgebildet ist, dass ein Betätigen des Umschaltventils (110) erst bei einem Betätigungsdruck (I) oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes erfolgt.
Umschaltventil (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmechanik (150) eine Kugelschreibermechanik ist.
Verbrennungsmotor, welcher ein einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit: einem Umschaltventil (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer Pleuelstangenanordnung (10) mit einer in einem Pleuellagerauge (46) und/oder einem Hublagerauge (30) angeordneten hydraulisch verstellbaren Exzentereinrichtung (65) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge (l_eff), wobei ein Verstellweg der Exzentereinrichtung (65) mittels des Umschaltventils (110) steuerbar ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (110) in die Pleuelstangenanordnung (10), insbesondere in einen Bereich des Hublagerauges (30), integriert ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsdruck (I) durch einen Motoröldruck aufbringbar ist, wobei der Verbrennungsmotor Mittel, beispielsweise eine regelbare Ölpumpe oder einen Druckspeicher, zum kurzzeitigen Erhöhen des Motoröldrucks aufweist.
Verfahren zur Steuerung eines Umschaltventils (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Detektieren von Umgebungsvariablen, welche momentan in einem Verbrennungsmotor vorherrschen; Vergleichen der detektierten Umgebungsvariablen mit vorbestimmten Schwellenwerten; und Steuern des Umschaltventils (110) derart, so dass das Umschaltventil (110) in Abhängigkeit des Vergleichens in eine erste oder zweite Schaltstellung verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schritt des Detektierens wenigstens eine Motordrehzahl, ein Motoröldruck und/oder ein Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors in einem Momentan-Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schritt des Detektierens momentane Werte der Umgebungsvariablen durch Sensoren, insbesondere Drucksensoren, erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch einen Schritt des Verlagerns des Umschaltventils (110) von einem Nicht-Betriebszustand in entweder die erste Schaltstellung oder die zweite Schaltstellung.