DE102015202065A1

DE102015202065A1 - Umschaltventil mit Rücksetzfunktion für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015202065A1
Application number: DE102015202065.7A
Authority: DE
Inventors: Markus POPP; Andreas Möller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Ein Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikölstromes für einen Verbrennungsmotor, welcher ein insbesondere mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit einem auf einer Trägerwelle (4) angeordnetem Steuerschieber (3), welcher abhängig von seiner Schaltstellung (S1, S2) den Hydraulikölstrom steuert, und einem insbesondere nach der Art einer Kugelschreibermechanik wirkenden Schaltmechanismus für den Steuerschieber (3), wobei der Schaltmechanismus nach Art einer Kugelmechanik ausgebildet ist, bei der eine Kugel (16), welche verschiebbar in einer innenliegenden Nut (7) des Steuerschiebers (3) angeordnet ist, in einer außenseitig auf der Trägerwelle (4) angeordneten Kontur (6) geführt wird, so dass bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils (1) mit einem ersten Schaltdruck (P1) der Steuerschieber (3) wechselseitig in eine erste Schaltstellung (S1) oder eine zweite Schaltstellung (S2) verlagerbar ist, wobei erfindungsgemäß bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils (1) mit einem zweiten Schaltdruck (P2) der Steuerschieber (3) schaltstellungsunabhängig in einem Schaltvorgang in eine definierte Schaltstellung (S1, S2) verbringbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikölstromes für einen Verbrennungsmotor, welcher ein insbesondere mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit einem auf einer Trägerwelle des Umschaltventils angeordneten Steuerschieber, welcher abhängig von seiner Schaltstellung den Hydraulikölstrom steuert, und einem insbesondere nach der Art einer Kugelschreibermechanik wirkenden Schaltmechanismus für den Steuerschieber, der nach Art einer Kugelmechanik ausgebildet ist, bei welchem eine verschiebbar in einer innen liegenden Nut des Steuerschiebers angeordnete Kugel in einer außenseitig auf der Trägerwelle vorgesehenen Kontur geführt wird, so dass bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils mit einem ersten Schaltdruck der Steuerschieber wechselseitig in eine erste Schaltstellung oder eine zweite Schaltstellung verlagerbar und arretierbar ist.
Stand der Technik
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 sogenanntes Klopfen des Verbrennungsmotors vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich des Verbrennungsmotors, also bei geringerer 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.
Aus der DE 10 2010 016 037 A1 ist eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors über die Änderung der wirksamen Länge einer Pleuelstange des Zylinders bekannt. Dies erfolgt hierbei über eine Exzenterverstelleinrichtung, deren Auslenkung hydraulisch über ein Umschaltventil gesteuert wird. Das Umschaltventil weist dabei einen Steuerkolben auf, welcher von einem als Kugelschreibermechanik ausgebildeten Schaltmechanismus in seinen Schaltpositionen arretierbar ist, wobei das Umschaltventil durch Aufbringen eines Betätigungsimpulses bzw. hydraulischen Betätigungsdruckes wechselseitig in eine erste Schaltstellung oder zweite Schaltstellung verbringbar ist.
Bei einem Verbrennungsmotor, welcher mehrere Zylinder und somit auch mehrere Umschaltventile aufweist, besteht die Möglichkeit, dass nach Aufbringen eines Betätigungsimpulses, der zum Schalten der Umschaltventile benötigt wird, einige Umschaltventile des Verbrennungsmotors schalten, während andere Umschaltventile nicht schalten, da beispielsweise der Betätigungsimpuls nicht gleichförmig an allen Umschaltventilen ankommt oder lang genug wirkt. Dies kann dazu führen, dass die Zylinder des Verbrennungsmotors nicht mit einem einheitlichen Verdichtungsverhältnis eingestellt sind. Diese unterschiedlichen Stellungen der Umschaltventile des Verbrennungsmotors, die dazu führen, dass einige Zylindereinheiten mit einem hohen und einige Zylindereinheiten mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis betrieben werden, können sich nach einer Vielzahl von Schaltvorgängen einstellen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Umschaltventil für einen Verbrennungsmotor mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, welches ein Vermeiden und ein Beheben von Fehlschaltungen ermöglicht, und einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Umschaltventil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Ein Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikölstromes für einen Verbrennungsmotor, welcher ein insbesondere mittels einer Exzenterverstelleinrichtung einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, ist mit einem auf einer Trägerwelle angeordneten Steuerschieber versehen. Dieser steuert abhängig von seiner jeweiligen Schaltstellung den Hydraulikölstrom. Der Steuerschieber ist mit einem nach der Art einer Kugelschreibermechanik ausgebildeten Schaltmechanismus versehen, der nach Art einer Kugelmechanik ausgebildet ist, bei welchem eine verschiebbar in einer innen liegenden Nut des Steuerschiebers angeordnete Kugel in einer außenseitig auf der Trägerwelle angeordneten Kontur geführt ist, so dass bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils mit einem ersten Schaltdruck der Steuerschieber wechselseitig, insbesondere arretierbar, in eine erste Schaltstellung oder eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist. Dabei ist bei erfindungsgemäß bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils mit einem zweiten Schaltdruck der Steuerschieber schaltstellungsunabhängig in einem Schaltvorgang in eine definierte Schaltstellung verbringbar. Die Arretierung des Ventilschiebers wird durch das Zusammenwirken der Rückstellfeder und der entsprechenden Kontur der Trägerwelle erzielt.
Durch das Beaufschlagen des jeweiligen Umschaltventils mit dem zweiten Schaltdruck wird folglich der Steuerschieber unabhängig von seiner aktuellen Schaltstellung stets in eine definierte Schaltstellung umgeschaltet, bei der es sich insbesondere um die erste Schaltstellung handeln kann. Vorteilhaft ist hierbei die schaltstellungsunabhängige Verbringung des Steuerschiebers in die definierte Schaltstellung, insbesondere während eines einzelnen Schaltvorganges. Besonders vorteilhaft ist dies bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern mit entsprechenden Umschaltventilen. Dadurch können schaltstellungsunabhängig und druckabhängig sämtliche Umschaltventile bei Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck in die definierte Schaltstellung zurückgesetzt werden. Hierdurch können Fehlschaltungen jederzeit bei laufendem Verbrennungsmotor behoben werden. Der zweite Schaltdruck ist hierbei höher als der erste Schaltdruck, wobei der erste Schaltdruck zu einem rein wechselseitigen Schalten des Umschaltventils zwischen einer ersten und der zweiten Schaltstellung dienen kann. Zudem kann durch die Rücksetzung sämtlicher mit dem zweiten Schaltdruck beaufschlagter Umschaltventile in die definierte Schaltstellung eine Montage eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis vereinfacht werden, da bei der Montage nicht mehr auf die jeweilige Schaltstellung der eingebauten Umschaltventile geachtet zu werden braucht, da diese durch Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck, beispielsweise auch vor einer ersten Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors, einheitlich zurückgesetzt werden können.
Demgegenüber erfolgt in der DE 10 2010 016 037 A1 nur eine Betätigung des Umschaltventils durch ein gegenüber dem normalen Motoröldruck angehobenes Druckniveau, woraus ein Betätigungsimpuls resultiert. Falls eine Fehlschaltung auftritt, kann diese nicht behoben werden, da ein erneutes Beaufschlagen mit dem erhöhten Druck lediglich zu einem Umschalten des fehlgeschalteten Umschaltventils in die in der Schaltfolge folgende Schaltstellung führt. Somit ist ein gleichzeitiges Zurücksetzten aller Umschaltventile in eine Grundstellung nicht möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kontur zur Kugelführung druckabhängig zumindest teilweise veränderbar ist. Die Kontur, welche radial außenseitig in der Trägerwelle ausgebildet ist und sich im Wesentlichen entlang einer Längserstreckung der Trägerwelle erstrecken kann, dient der Führung einer zwischen der Trägerwelle und dem Steuerschieber angeordneten Kugel bei einer Relativbewegung zwischen dem Steuerschieber und der Trägerwelle. Bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils und des Steuerschiebers mit dem ersten Schaltdruck ermöglicht die Kontur eine Bewegung des Steuerschiebers im Wesentlichen in axialer Richtung entlang der Trägerwelle, beispielsweise von der ersten in die zweite Schaltstellung.
Durch die geometrische Ausgestaltung der Kontur werden die Kugel und damit der Steuerschieber beispielsweise in axialer Richtung bis zu einem unteren Anschlag geführt, wobei der untere Anschlag in der Kontur ausgebildet ist die Kugel an diesem anliegt. Bei einem Abfallen des ersten Schaltdrucks wird der Steuerschieber in axialer Richtung zurückgedrückt bis die Kugel in einer Raststellung der Kontur anliegt und dadurch ein Halten oder Verrasten des Steuerschiebers in der zweiten Schaltstellung ermöglicht wird. Bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils mit dem zweiten Schaltdruck kann die Kontur beispielsweise derart verändert werden, dass der Steuerschieber, von der ersten Schaltstellung ausgehend, nicht in der zweiten Schaltstellung verrastet, sondern wieder in die erste Schaltstellung zurückfällt.
Hierbei kann die Kontur und damit die Laufbahn der Kugel in Abhängigkeit von dem zweiten Betriebsdruck beispielsweise derart verändert werden, dass ein Verrasten in der zweiten Schaltstellung nicht erfolgen kann, oder dass die Kugel nicht zur Rastposition gelangt, welche der zweiten Schaltstellung entsprechen würde. Eine Veränderung der Kontur zur Kugelführung kann dabei auch durch ein Zusammenwirken der Kontur mit der Kugel, beispielsweise einem Nachgeben der Kontur gegenüber der Kugel, ermöglicht werden. Eine druckabhängige Veränderung der Kontur hat den Vorteil, dass bei Beaufschlagung mit einem definierten Druck die Kontur und damit die Laufbahn der Kugel derart verändert werden kann, dass eine Zurücksetzung der Kugel und damit des Steuerschiebers in eine definierte Schaltstellung erfolgen kann.
Vorzugsweise weist die Kontur mindestens ein, insbesondere verriegelbares, Kontursegment auf, welches zumindest teilweise translatorisch und/oder rotatorisch verlagerbar ist. Die in der Trägerwelle ausgebildete Kontur kann mindestens einen Abschnitt oder ein Kontursegment aufweisen, welches durch eine zumindest translatorische und/oder rotatorische Bewegung die Kontur und somit die Laufbahn der Kugel verändern kann. Eine Verlagerung eines Kontursegmentes kann dabei druckabhängig erfolgen. So kann beispielsweise das Kontursegment bei Aufbringen des ersten Schaltdruckes unverlagerbar oder verriegelt sein, während bei Aufbringen des zweiten Schaltdruckes das Kontursegment verlagerbar sein kann. Eine Verlagerung des Kontursegmentes kann dabei in Zusammenwirkung mit der Kugel erfolgen, auf welche über den Steuerschieber der Schaltdruck wirkt. Dies kann bei dem zweiten Schaltdruck beispielsweise dadurch erfolgen, dass die über den Steuerschieber und die Kugel auf die Kontur übertragenen Kräfte größer sind als beispielsweise eine Haltekraft des Kontursegmentes, so dass das Kontursegment durch die Kugel verlagert werden kann. Die Verlagerung des Kontursegmentes kann dabei translatorisch und/oder rotatorisch erfolgen. Ein Kontursegment kann einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei bei einem mehrteiligen Kontursegment die Einzelteile relativ zueinander bewegbar sein können.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Kontursegment in Form eines, insbesondere translatorisch verlagerbaren, Stempels ausgebildet. Das Kontursegment kann einen einheitlichen oder variierenden Querschnitt aufweisen, insbesondere kann das Kontursegment an einem kugelseitigen Ende einen im Wesentlichen dreieckigen, viereckigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Das Kontursegment kann dabei an den Formverlauf der Kontur angepasst ausgebildet und entsprechend angeordnet sein. Das Kontursegment kann beispielsweise translatorisch, im Wesentlichen senkrecht zu einer Längserstreckung der Trägerwelle, verlagerbar sein. Hierdurch kann eine einfache geometrische Form des Kontursegmentes ermöglicht werden, welches kostengünstig herzustellen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Kontursegment in Form eines, insbesondere rotatorisch verlagerbaren, Verdrehbalkens ausgebildet sein. Der Verdrehbalken kann hierbei in Form einer Führungskante wirken und die Kugel bei einer Relativbewegung zwischen dem Steuerschieber und der Trägerwelle führen. Der Verdrehbalken kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und mit einer oder mehreren Federn mit einer Kraft beaufschlagt werden. Bei einem mehrteilig ausgebildeten Verdrehbalken können dabei die einzelnen Flügel jeweils mit einer Feder mit einer Kraft beaufschlagt werden. Eine Federkraft zur Beaufschlagung des Verdrehbalkens kann beispielsweise derart ausgelegt sein, dass bei einem Anliegen der Kugel an dem Verdrehbalken bei dem ersten Schaltdruck keine Verlagerung der Verdrehbalkens erfolgt, jedoch bei einem Wirken des zweiten Schaltdruckes der Verdrehbalken durch die Kugel verlagert werden kann, da die über die Kugel wirkenden Kräfte größer sind als die den Verdrehbalken haltende Federkraft. Dies hat den Vorteil, dass die Kontur und somit die Kugellaufbahn in der Trägerwelle druckabhängig veränderbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Umschaltventil eine Verriegelungsvorrichtung zur Verriegelung auf, das zumindest ein Teils mindestens eines Kontursegmentes ist. Hierbei können durch die Verriegelungsvorrichtung ein oder mehrere Kontursegmente einzeln oder gemeinsam verriegelt werden. Ebenso ist es möglich, ein mehrteiliges Kontursegment vollständig oder in Teilen zu verriegeln. Die Verriegelungsvorrichtung kann dabei innerhalb der Trägerwelle angeordnet sein und mit dem Schaltdruck beaufschlagbar ausgebildet sein. Die Verriegelung eines Kontursegmentes kann dabei druckabhängig erfolgen, wobei bei Anliegen eines Druckes an der Verriegelungsvorrichtung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes, beispielsweise des zweiten Schaltdruckes, eine Verriegelung erfolgt, so dass das eine Kontursegment festgelegt und unterhalb des zweiten Schaltdruckes nicht verlagerbar ist. Ein Kontursegment kann beispielsweise entgegen seiner Verlagerungsrichtung mit einer Feder vorgespannt sein. Eine Entriegelung des Kontursegmentes kann beispielsweise bei Anliegen des zweiten Schaltdruckes oder eines höheren Druckes erfolgen, wobei das insbesondere mit einer Feder vorgespannte Kontursegment in Zusammenwirkung mit der Kugel durch diese zur Veränderung ihrer Führungsbahn verlagerbar sein kann. Durch die Verriegelungsvorrichtung kann auch ein Kontursegment verriegelt oder entriegelt werden, welches nicht durch eine Feder vorgespannt ist, wobei bei Überschreiten des zweiten Schaltdruckes beispielsweise eine Veränderung der Kontur durch eine druckabhängige Verlagerung des Kontursegmentes erfolgen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem wechselseitigen Schalten des Umschaltventils der Steuerschieber mittels des ersten Schaltdruckes von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bringbar und insbesondere ausschließlich durch Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung zurücksetzbar. Dabei erfolgt bei einer Druckbeaufschlagung des Umschaltventils mit dem ersten Schaltdruck eine Verlagerung des Steuerschiebers von der ersten in die zweite Schaltstellung, wobei ein Rücksetzen des Steuerschiebers aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung immer über eine Beaufschlagung des Umschaltventils mit dem zweiten Schaltdruck erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kontur zur Führung der Kugel erreicht werden, wobei der Vorteil ist, dass durch das Rücksetzen des Steuerschiebers von der zweiten in die erste Schaltstellung durch den zweiten Schaltdruck Fehlschaltungen unmittelbar vermieden werden können.
Die Kontur ist vorzugsweise im Wesentlichen herzförmig oder halbherzförmig ausgebildet. Eine herzförmig ausgebildete Kontur ermöglicht eine Arretierung des Umschaltventils nach der ‚Art einer Kugelschreibermechanik, wobei der Steuerschieber zuverlässig von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung verbringbar ist und in der zweiten Schaltstellung verrastbar ist. Eine halbherzförmige Kontur weist gegenüber einer herzförmigen Kontur einen verringerten Winkelbereich oder Umfangsbereich an der Oberfläche der Trägerwelle auf, so dass ein Ausformen beispielsweise aus einer Gussform ermöglicht wird, wodurch kostengünstigere Herstellungsverfahren, beispielsweise das sogenannte Metal-Injection-Moulding angewendet werden können. Weiterhin kann die halbherzförmige Kontur einen separaten Rückkanal für die Kugel bei einer Verlagerung des Steuerschiebers von der zweiten in die erste Schaltstellung aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Zusammenwirken mit einem Kontursegment in Form eines Verdrehbalkens.
Vorteilhafterweise weist das Kontursegment eine Leitvorrichtung auf, insbesondere in Form einer Ausnehmung oder Erhöhung, zur Vorgabe einer Vorzugsrichtung zur Führung der Kugel. Die Leitvorrichtung auf kann hierbei stirnseitig und/oder entlang einer Längsseite des Kontursegmentes ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Kontursegment in Form eines Stempels stirnseitig eine Ausnehmung aufweisen, welche insbesondere bei einem Rücksetzen des Steuerschiebers von der zweiten in die erste Schaltstellung eine sichere Führung der Kugel und somit ein zuverlässiges Schalten des Steuerschiebers ermöglicht.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor, welcher ein einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit mindestens einem Umschaltventil, welches wie vorstehend beschrieben ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor kann dabei eine regelbare Ölpumpe oder einen Druckspeicher oder eine Zusatzölpumpe zum zumindest kurzzeitigen Bereitstellen des ersten und zweiten Schaltdruckes aufweisen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Integration des Umschaltventils in vorhandene Motorölsysteme, wodurch der Einsatzbereich des Umschaltventils erweitert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche und der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Ansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Ansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in der Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1a–d eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Umschaltventils in verschiedenen Schaltstellungen;
2 eine schematische Darstellung einer Schaltfolge zweier Umschaltventile gemäß 1 in zwei parallel wirkenden Zylindern;
3 eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Umschaltventils;
4a, b eine perspektivische schematische Darstellung von Details des in 3 dargestellten Umschaltventils;
5a–c eine schematische Darstellung des Schaltvorganges von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung des in 3 gezeigten Umschaltventils;
6a–d eine schematische Darstellung eines Schaltvorganges des in 3 gezeigten Umschaltventils von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung;
7a–d einen Schaltvorgang des in 3 gezeigten Umschaltventils bei Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck;
8a, b eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Kontur eines Umschaltventils mit einem Kontursegment in Form eines Verdrehbalkens;
9a–c eine schematische perspektivische Darstellung des Verdrehbalkens gemäß 8a, b;
10 einen Schaltvorgang des in 8 gezeigten Umschaltventils von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung;
11 einen Schaltvorgang des in 8 gezeigten Umschaltventils von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung;
12 eine schematisch-perspektivische Darstellung des in 8 gezeigten Umschaltventils mit einer Verriegelungsvorrichtung zur Verriegelung des Verdrehbalkens;
13 eine Schnittansicht der in 12 dargestellten Verriegelungsvorrichtung;
14a, b eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Verriegelung des in 12 gezeigten Verdrehbalkens;
15 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung der in 12 gezeigten Verriegelungsvorrichtung;
16 eine schematische Darstellung eines mehrteiligen Kontursegmentes in Form eines Verdrehbalkens;
17 eine schematische Darstellung eines Verlaufs des Motoröldruckes über die Motordrehzahl,
18 eine schematische Darstellung des Motoröldruckes mit dem ersten Schaltdruck und dem zweiten Schaltdruck zur Betätigung des Umschaltventils,
19 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, und
20 einen Hydraulikplan mit dem in diesem angeordneten Umschaltventil sowie mit in Stützzylindern geführten Stellkolben, die mit dem Verstellelement nach 1 zusammenwirken.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In den 1a bis 1d ist mit 1 ein Umschaltventil bezeichnet, dass zur Betätigung einer Einrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit eines Verbrennungsmotors dient. Eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors kann durch eine hydraulisch Änderung der wirksamen Pleuellänge einer jeden Zylindereinheit des Verbrennungsmotors erfolgen, wobei die entsprechende hydraulische Verstellung durch das in den 1a–d dargestellte Umschaltventil 1 erfolgen kann. Das Umschaltventil 1 weist dabei einen innerhalb eines Gehäuses 2 angeordneten Steuerschieber 3 auf, welcher um eine Trägerwelle 4 herum angeordnet ist und mit einer Rückstellfeder 5 an dem Gehäuse 2 abgestützt ist. Radial außenseitig ist in der Trägerwelle 4 eine Kontur 6 ausgebildet, in der eine Kugel (in den 1a–d nicht dargestellt) geführt wird, wobei diese Kugel ebenfalls in einer radial innenseitig an dem Steuerschieber 3 ausgebildeten Nut 7 aufgenommen wird. Durch die Ausgestaltung der Kontur 6 wird für den Steuerschieber 3 ein Schaltmechanismus nach der Art einer Kugelschreibermechanik geschaffen, welcher ein Verlagern des Steuerschiebers 3 in eine erste Schaltstellung S1 (1a) und eine zweite Schaltstellung S2 (1c) ermöglicht.
Je nach Schaltstellung S1, S2 können hydraulische Kanäle durch den Steuerschieber 3 geöffnet oder verschlossen werden, wodurch eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses der zugeordneten Zylindereinheit und damit des gesamten Verbrennungsmotors bewirkt werden kann. Eine Verlagerung des Steuerschiebers 3 in die in der 1b dargestellte Schaltstellung S2 erfolgt dabei durch eine Beaufschlagung mit einem Schaltdruck an seiner Stirnfläche 3a, wobei der Schaltdruck beispielsweise durch eine regelbare Ölpumpe des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden kann. In der in 1 dargestellten ersten Schaltstellung S1 des Steuerschiebers 3 wirkt im Wesentlichen die Kraft der Rückstellfeder 5 auf den Steuerschieber 3. Diese erste Schaltstellung S1 ist dabei auch die Grundstellung des Umschaltventils 1. Für eine Verlagerung des Steuerschiebers 3 in die zweite Schaltstellung S2 wird mindestens ein erster Schaltdruck p₁ benötigt, welcher größer ist als ein Betriebsdruck p_b des Motoröls, um von der ersten Schaltstellung S1 in die zweite Schaltstellung S2 verlagert zu werden. Für eine Verlagerung des Steuerschiebers 3 aus der zweiten Schaltstellung S2 in die erste Schaltstellung S1 ist es ebenfalls erforderlich, das Umschaltventil 1 zumindest mit dem ersten Schaltdruck p₁ zu beaufschlagen.
Bei einer Beaufschlagung des Steuerschiebers 3 mit dem ersten Schaltdruck p₁ verschiebt sich der in 1b dargestellte Steuerschieber 3 in axialer Richtung entlang der Trägerwelle 4 mit der innen geführten Kugel (nicht dargestellt) bis zu einem unteren Anschlag (nicht dargestellt) in der Kontur 6, um dann bei Wegfall des ersten Schaltdruckes p₁ in die zweite Schaltstellung S2 zu wechseln (1c). Dabei wird der Steuerschieber 3 durch den Wegfall des ersten Schaltdruckes p₁ durch die Rückstellfeder 5 aus seiner Stellung gemäß 1b in die Schaltstellung nach 1c verschoben, wobei zwischen der Trägerwelle 4 und dem Steuerschieber 3 die Kugel in der Kontur 6 der Trägerwelle 4 und der Nut 7 in dem Steuerschieber 3 geführt wird, bis die Kugel in einer Rastposition der Kontur 6 anliegt, wodurch der Steuerschieber 3 in der zweiten Schaltstellung S2 gehalten wird.
Durch ein erneutes Anheben des Schaltdruckes auf den ersten Schaltdruck p₁, wird der Steuerschieber 3 von der zweiten Schaltposition S2 in axialer Richtung in eine Position gemäß 1d bewegt, so dass die in der Kontur 6 und der Nut 7 geführte Kugel an einen oberen Anschlag gerät, wobei bei anschließendem Abfall des Schaltdruckes p₁ die Kugel durch die Kontur 6 bis zur ersten Schaltstellung S1 zurückgeführt wird, wodurch eine Rückstellung des Steuerschiebers 3 durch die Rückstellfeder 5 bis in die erste Schaltstellung S1 nach 1a ermöglicht wird. In 1b ist die Position des Steuerschiebers 3 dargestellt, bei der beispielsweise der erste Schaltdruck p₁ auf die Stirnfläche 3a des Steuerschiebers 3 wirkt und die Kugel in der Kontur 6 an dem unteren Anschlag anliegt, so dass bei Abfall des Schaltdruckes p₁ der Steuerschieber 3 durch die Rückstellfeder 5 in die zweite Schaltstellung S2 verlagert wird (1c).
Die Ausbildung der Kontur 6 und deren Funktion wird nachfolgend anhand der 2 in Verbindung mit den 1a–1d beschrieben. Bei der Beaufschlagung des Steuerschiebers 3 mit dem ersten Schaltdruck p₁ bildet ein verlagerbares Kontursegment 8 in Form eines Stempels 9 den unteren Anschlag Au für die Kugel innerhalb der Kontur 6. Das Kontursegment 8 ist über eine Verriegelungsvorrichtung 10 festgelegt und verriegelt, so dass das Kontursegment 8 nicht durch die Kugel verdrängt werden kann. Die Verriegelungsvorrichtung 10 weist einen zweistufigen Verriegelungsbolzen 11 auf, welcher innerhalb einer Bohrung 12 in der Trägerwelle 4 angeordnet ist, und in der dargestellten Position bei einem ersten Schaltdruck p₁ das Kontursegment 8 bzw. den Stempel 9 formschlüssig mit der Trägerwelle 4 verriegelt. Der Verriegelungsbolzen 11 ist dabei über eine Verriegelungsfeder 13 gegen die Trägerwelle 4 innerhalb der Bohrung 12 abgestützt und an einem der Verriegelungsfeder 13 gegenüberliegenden Ende dem wirkenden Schaltdruck p₁, p₂ ausgesetzt. Das Kontursegment 8 ist über eine Feder 14 gegenüber der Trägerwelle 4 innerhalb einer Aufnahmebohrung 15 abgestützt. Bei dem ersten Schaltdruck p₁ nach 1a bis c ist die Verriegelungsvorrichtung 10 in einem verriegelten Zustand. Wird jedoch der Schaltdruck auf einen zweiten Schaltdruck p₂ erhöht, beispielsweise um den Steuerschieber 3 bei der gerade durchgeführten Umschaltung unabhängig von seiner gerade eingenommenen Schaltstellung in die erste Schaltstellung S1 zu bringen, wird der Verriegelungsbolzen 11 soweit innerhalb der Bohrung 12 entgegen der Verriegelungsfeder 13 durch den zweiten Schaltdruck p₂ verdrängt, dass das Kontursegment 8 nicht mehr gegenüber der Trägerwelle 4 verriegelt ist.
Diese Funktion ist in 1d dargestellt, wobei die Verriegelungsvorrichtung 10 zwischen dem Kontursegment 8 und der Trägerwelle 4 entriegelt ist, so dass die an dem Steuerschieber 3 wirkende axiale Kraft über die Kugel 16 das Kontursegment 8 in die Trägerwelle 4 hineindrücken kann und die Kugel 16 so über die Stirnfläche des Kontursegmentes 8 bzw. des Stempels 9 fahren kann. Die Kugel 16 kann sich direkt bis zu einem oberen Anschlag bewegen, wobei nach einem Absenken des Schaltdruckes p₂ der Steuerschieber 3 über die Kugel 16 und die Kontur 6 in die erste Schaltstellung S1 verschoben wird. Durch das translatorische Verlagern des Kontursegmentes 8 im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der Trägerwelle 4 kann die Kontur 6 abhängig von dem zweiten Schaltdruck p₂ verändert werden, so dass sich die Laufbahn der Kugel 16 derart verändert wird, dass die Kugel 16 direkt bis zu dem oberen Anschlag Ao verfahren kann. Somit ist der Steuerschieber 3 nach einem Druckabfall wieder in die erste Schaltstellung S1 bringbar. Durch die druckabhängige Veränderung der Kontur 6 wird die Laufbahn der Kugel 16 derart verändert, dass die Kugel 16 nicht mehr durch den unteren Anschlag Au festgehalten wird, sondern direkt zum oberen Anschlag Ao verlagert wird, wodurch die Laufbahn der Kugel 16 verkürzt werden kann.
In der 2 sind die Schaltwege zweier Umschaltventile 1 und 1a dargestellt, die in zwei parallel wirkenden Zylindereinheiten angeordnet sind, wobei in der ersten Position 1 die Umschaltventile 1 und 1a des ersten und des zweiten Zylinders in unterschiedlichen Schaltstellungen sind, wie dies beispielsweise nach einer Fehlschaltung auftreten kann. In Position 1 befindet sich das Umschaltventil des Zylinders 1 in der zweiten Schaltstellung S2 und das Umschaltventil 1a des zweiten Zylinders in der ersten Schaltstellung S1. Eine Druckbeaufschlagung der beiden Umschaltventile 1 und 1a mit dem ersten Schaltdruck p₁ würde hierbei lediglich zu einer Umkehr der Schaltstellungen führen, jedoch nicht zu einer Behebung der Fehlschaltung. Daher werden das erste und das zweite Umschaltventil 1 und 1a in ihren jeweiligen Positionen mit dem zweiten Schaltdruck p₂, welcher höher ist als der erste Schaltdruck p₁, beaufschlagt, wobei die Kugel 16 des Umschaltventils 1 des ersten Zylinders aus der zweiten Schaltstellung S2 bis zum oberen Anschlag Ao verlagert wird.
Die Kugel 16 des Umschaltventils 1a des zweiten Zylinders wird aus der ersten Schaltstellung S1 bis zu dem unteren Anschlag Au verlagert, allerdings wird aufgrund des wirkenden höheren Schaltdruckes p₂ die Verriegelungsvorrichtung (in der 2 nicht dargestellt) entriegelt, so dass die Kugel 16 das entriegelte Kontursegment 8 herunterdrücken kann und direkt bis zum oberen Anschlag Ao bewegt werden kann, woraufhin auch der Steuerschieber 3 bis zum oberen Anschlag Ao bewegt werden kann (Position 2). Dadurch befinden sich das Umschaltventil 1 des ersten Zylinders und das Umschaltventil 1a des zweiten Zylinders beide in der gleichen Endposition am oberen Anschlag Ao. Durch einen anschließenden Abfall des zweiten Schaltdruckes p₂ erfolgt eine Rückführung der Steuerschieber 3 sowohl des ersten als auch des zweiten Zylinders entlang der Kontur 6 bis in die erste Schaltstellung S1 (Position 3, 4).
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung des Umschaltventils 1 dargestellt, wobei der Verriegelungsmechanismus 10 des Kontursegmentes 8 in axialer Richtung vergrößert ausgebildet ist, wodurch insgesamt die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Die Kontur 6 zur Führung der Kugel 16 ist halbherzförmig in der Trägerwelle 4 ausgebildet (4a). Die Kontur 6 weist dabei neben einer länglichen Nut 24 in axialer Richtung der Trägerwelle 4 eine hakenförmige Ausbuchtung 25 auf, in welcher die Kugel 16 in der zweiten Schaltstellung S2 aufgenommen wird. In dem Bereich des Überganges von der länglichen Nut 24 der Kontur 6 in die Ausbuchtung 25 ist ein Kontursegment 8 in Form eines Stempels 9 angeordnet. Das Kontursegment 8 (4b) weist an einem benachbart zu der Verriegelungsvorrichtung 10 angeordneten Ende einen rechteckigen Querschnitt auf und an einem der Kontur 6 zugewandten Ende einen dreieckigen Querschnitt. Das Kontursegment 8 ist dabei stempelförmig ausgebildet und weist stirnseitig zur Kontaktierung der Kugel 16 eine Leitvorrichtung 17 in Form einer Ausnehmung auf. Durch die Leitvorrichtung auf 17 kann in der Stirnseite des Kontursegmentes 8 eine Vorzugsrichtung für die Kugel 16 vorgegeben werden, wodurch beispielsweise ein Herunterdrücken des Kontursegmentes 8 durch die Kugel 16 vereinfacht werden oder eine Führung der Kugel 16, beispielsweise von dem oberen Anschlag Ao zur ersten Schaltstellung S1, in die Nut 24 erreicht werden kann.
In 5a bis c ist eine Schaltung des Umschaltventils der 3 dargestellt, wobei der Steuerschieber 3 von der ersten Schaltstellung S1 in die zweite Schaltstellung S2 verlagert wird. Auf den Steuerschieber 3 wirkt der erste Schaltdruck p₁, wodurch es zu einer Verlagerung des Steuerschiebers 3 aus der ersten Schaltstellung 1 kommt (5a), bis der Steuerschieber 3 an dem unteren Anschlag Au, welcher teilweise durch das Kontursegment 8 gebildet wird, anliegt (5b), wobei die Kugel 16 durch das Kontursegment 8 seitlich verlagert wird, so dass bei einem Abfall des Schaltdruckes p₁ der Steuerschieber 3 durch die Rückstellfeder 5 wieder in Rückstellrichtung bewegt wird (5c), wobei dieser jedoch durch die Kugel 16 und die halbherzförmige Kontur 6 in der zweiten Schaltstellung S2, insbesondere in der Ausbuchtung 25, arretiert wird. Das Kontursegment 8 ist bei dem wirkenden ersten Schaltdruck p₁ verriegelt.
Die 6a–d zeigen eine Schaltung des in 3 gezeigten Umschaltventils von der zweiten Schaltstellung S2 in die erste Schaltstellung S1. Aufgrund der Konstruktion ist es hierbei notwendig, das Kontursegment 8 durch Aufbringen des zweiten Schaltdruckes p₂ zu entriegeln (6a), so dass der Steuerschieber 3 in axialer Richtung verlagert werden kann, bis die Kugel 16 den oberen Anschlag Ao erreicht hat (6b). Das Kontursegment 8 wird in dem entriegelten Zustand durch die Kugel 16 heruntergedrückt. In der oberen Anschlagsposition Ao ist die Kugel 16 seitlich zur Nut 25 hin ausgelenkt worden, so dass sie oberhalb der ersten Schaltstellung S1 angeordnet ist (6c), wobei nach Abfall des zweiten Schaltdruckes P2 der Steuerschieber 3 in axialer Richtung in Richtung der ersten Schaltstellung S1 verlagert wird (6d).
In den 7a–d ist die Schaltung des in 3 gezeigten Umschaltventils 1 dargestellt, bei der durch Aufbringen des zweiten Schaltdruckes p₂ der Steuerschieber 3 schaltstellungsunabhängig in einem Schaltvorgang in die erste Schaltstellung S1 verlagerbar ist. Dies ist, wie bereits dargelegt, erforderlich, um eine Fehlschaltung an zumindest einer Zylindereinheit und an dessen Umschaltventil 1 zu beheben. Dabei werden alle Umschaltventile 1 mit dem zweiten Schaltdruck p₂ beaufschlagt werden, um sie in die erste Schaltstellung S1 zurückzusetzen. Demzufolge werden auch Umschaltventile 1 mit dem zweiten Schaltdruck p₂ beaufschlagt, die sich bereits in der ersten Schaltstellung S1 befinden. Dabei ergibt sich bei einer Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck p₂ der in 7a–d dargestellte Schaltvorgang. Hierbei wird der Steuerschieber 3 unter Mitnahme der Kugel 16 in axialer Richtung (7a) verschoben und folglich die Kugel 16 zunächst bis zum unteren Anschlag Au verlagert (7b). Da jedoch der zweite Schaltdruck p₂ auf den Steuerschieber 3 und die Verriegelungsvorrichtung 10 wirkt, kann das Kontursegment 8 durch die Kugel 16 verdrängt werden, so dass die Kugel 16 und der Steuerschieber 3 bis in den oberen Anschlag Ao verlagert werden (7c). Von hier aus erfolgt bei einem Absenken des zweiten Schaltdruckes P2 eine Verlagerung des Steuerschiebers 3 in die erste Schaltstellung S1 (7d).
In den 8a und 8b ist eine weitere alternative Ausgestaltung der Kontur 6 der Trägerwelle 4 dargestellt. Bei der in diesen Figuren dargestellten Kontur 6 kann die Kugel 16 ebenfalls eine erste Schaltstellung S1 und eine zweite Schaltstellung S2 zusammen mit dem Steuerschieber 3 einnehmen. Es handelt sich in diesem Fall um eine halbherzförmige Kontur 6. Der untere Anschlag Au wird hierbei ebenfalls durch ein verlagerbares Kontursegment 8 gebildet, wobei das Kontursegment 8 jedoch in Form eines Verdrehbalkens 18 gestaltet ist. Befindet sich der Steuerschieber 3 in der ersten Schaltstellung S1, dann wirkt lediglich die Rückstellfeder 5 auf den Steuerschieber 3.
Gemäß der 8a wird mit Anlegen des ersten Schaltdruckes p₁ der Steuerschieber 3 mit der innen geführten Kugel 16 entlang der Kontur 6 in der Trägerwelle 4 bis zu einem unteren Anschlag Au an dem Verdrehbalken 18 verlagert, so dass bei Abfall des ersten Schaltdruckes p₁ der Steuerschieber 3 auf der nun wieder allein wirkenden Rückstellfederkraft axial in Richtung der zweiten Schaltstellung S2 verschoben wird. Dabei bewegt sich zwischen der Trägerwelle 4 und dem Steuerschieber 3 die Kugel 16 in der in der Trägerwelle 4 eingefrästen Kontur 6 und der Nut in dem Steuerschieber 3 mit und verhindert so das Zurückfallen des Steuerschiebers 3 in seine erste Schaltstellung S1, da durch die Kugel 16 der Steuerschieber 3 in der zweiten Schaltstellung S2 gehalten wird.
Ausgehend von jeder der beiden Schaltstellungen S1 oder S2 kann eine Verlagerung des Steuerschiebers 3 zurück in die erste Schaltstellung S1 durch ein Anheben des Schaltdruck allerdings auf den zweiten Schaltdruck p₂erfolgen. Hierbei wird die Kugel 16 durch den Steuerschieber 3 und den wirkenden zweiten Schaltdruck p₂ mit so großer Kraft gegen den Verdrehbalken 18, welcher mittig drehbar gelagert ist, gedrückt, dass die Kugel 16 und der Steuerschieber 3 bis zu einem oberen Anschlag Ao verlagerbar sind. Nach einem Abfall des zweiten Schaltdruckes p₂ wird aufgrund der geometrischen Gestalt der Kontur 6 die Kugel 16 und somit der Steuerschieber 3 bis in die erste Schaltstellung S1 zurückgeführt (8b). Zur Rückführung der Kugel 16 von dem oberen Anschlag Ao in die erste Schaltstellung S1 weist die Kontur 8 (8a, b) zusätzlich eine seitlich angeordnete, gesonderte Rücklaufbahn 26 für die Kugel 16 auf. Die Rücklaufbahn 26 verläuft dabei von einer dem oberen Anschlag Ao zugewandten Seite des Kontursegmentes 8 bis zur ersten Schaltstellung S1.
In der 9a ist in einer perspektivischen Ansicht der Verdrehbalken 18 der 8a und 8b dargestellt. Der Verdrehbalken 18 ist mittig mit einem Drehbolzen 19 verbunden, wobei der Drehbolzen 19 in der Trägerwelle 4 festgelegt sein kann und der Verdrehbalken 18 über eine Drehfeder 20 mit einer Federkraft beaufschlagt wird, so dass der Verdrehbalken 18 nach einer Auslenkung, beispielsweise durch die Kugel 16, durch die Drehfeder 20 zurückgestellt werden kann. Die Anordnung der Drehfeder 20 innerhalb des Verdrehbalkens 18 ist in 9b dargestellt. In einer Seitenansicht (9c) des Verdrehbalkens 18 ist die T-förmige Ausgestaltung des Konturelementes 8 und die leicht gewölbte Ausgestaltung der der Kontur 6 abgewandten Oberfläche des Verdrehbalkens 18 erkennbar.
In 10 ist ein Schaltvorgang für ein Umschaltventil 1 mit der in 8a, b gezeigten Kontur 6 dargestellt, wobei durch Anlegen eines ersten Schaltdruckes p₁ der Steuerschieber (nicht dargestellt) von der ersten Schaltstellung S1 in die zweite Schaltstellung S2 verlagerbar ist. Die Kugel 16 wird dabei zusammen mit dem Steuerschieber in axialer Richtung verlagert, bis die Kugel 16 den Verdrehbalken 18 kontaktiert und aufgrund der Schrägstellung des Verdrehbalkens 18 bis zu einem unteren Anschlagpunkt AU ausgelenkt wird, welcher in axialer Richtung im Wesentlichen oberhalb der Aufnahme für die Kugel 16 in ihrer zweiten Schaltstellung S2 angeordnet ist. Dadurch wird bei Abfall des Schaltdruckes P1 durch die Rückstellfeder (nicht gezeigt) wieder in Richtung der ersten Schaltstellung S1 ausgelenkte Steuerschieber durch die Kugel 16 innerhalb der Kontur 6 gehalten.
Der Schaltvorgang von der zweiten Schaltstellung S2 zurück in die erste Schaltstellung S1 erfolgt durch Beaufschlagen des Umschaltventils 1 mit dem zweiten Schaltdruck p₂ (11). Dabei wird die in Position 4 dargestellte Kugel 16 aus der zweiten Schaltstellung S2 in Richtung des unteren Anschlages Au bewegt, und aufgrund des auf den Steuerschieber und damit auf die Kugel 16 wirkenden zweiten Schaltdruckes p₂ kann das Kontursegment 8 in Form des Verdrehbalkens 18 rotatorisch ausgelenkt werden, so dass die Kugel 16 bis zu dem oberen Anschlag Ao (Position 9) ausgelenkt und der Verdrehbalken 18 aufgrund der Rückstellfeder wieder in seine ursprüngliche Position zurückgestellt wird. Nach einem Abfall des zweiten Schaltdruckes P2 wird die Kugel 16 und damit der Steuerschieber aufgrund der Kontur 6 über die Rücklaufbahn 26 in die erste Schaltstellung S1 zurückgeführt (Position 11).
Die 12 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Trägerwelle 4 mit der in 8a, b dargestellten Kontur 6 mit der Rücklaufbahn 26 und einer zusätzlichen Verriegelungsvorrichtung 10 für das Kontursegment 8 in Form des Verdrehbalkens 18. In der 13 ist die in 12 dargestellte Trägerwelle 4 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei die Verriegelungsvorrichtung 10 derart ausgebildet ist, dass ein Verriegelungselement 21, welches im Wesentlichen translatorisch rechtwinklig zur Trägerwelle 4 verlagerbar ist, durch einen zweiteiligen Verriegelungsbolzen 11 druckabhängig verriegelt wird. Das Verriegelungselement 21 ist dabei innerhalb eines in 14a und 14b schraffierten Bereiches neben dem Verdrehbalken 18 angeordnet, so dass eine Verlagerung des Verdrehbalkens 18 durch eine formschlüssige Verriegelung verhindert wird. Das Verriegelungselement 21 befindet sich innerhalb eines Verschwenkbereiches des Kontursegmentes 8 bzw. des Verdrehbalkens 18 (14 a, b). Diese Verriegelung wird erst bei Druckbeaufschlagung des Umschaltventils 1 und damit über die Bohrung 12 auch der Verriegelungsvorrichtung 10 gelöst.
Bei Beaufschlagung der Verriegelungsvorrichtung 10 mit dem zweiten Schaltdruck p₂ wird der zweiteilige Verriegelungsbolzen 11 derart verschoben, dass ein erster Teil sich vollständig innerhalb der Außenkontur des Verriegelungselementes 21 befindet, während ein zweiter an der Feder 13 anliegender Teil sich außerhalb dieser Außenkontur befindet. Somit ist das Verriegelungselement 21 translatorisch bewegbar und kann mit der Feder 14 in radialer Richtung der Trägerwelle 4 vorgespannt werden. Wird nun in dieser Position mit dem entriegelten Verriegelungselement 21 der Verdrehbalken 18 durch die Kugel 16 ausgelenkt und gegen das Verriegelungselement 21 gedrückt, so kann das Verriegelungselement 21 translatorisch in die Trägerwelle 4 hineinbewegt werden und so eine rotatorische Bewegung des Verdrehbalkens 18 ermöglichen.
Alternativ ist denkbar, dass das Verriegelungselement 21 bereits durch Wirkung des zweiten Schaltdruckes p₂ in die Trägerwelle 4 hinein ausgelenkt wird, und dadurch das Kontursegment 8 bzw. der Verdrehbalken 18 in seiner Bewegung frei ist. Eine entsprechend ausgebildete Verrieglungsvorrichtung 10 ist in 15 dargestellt. Das Verriegelungselement 21 ist dabei unmittelbar dem zweiten Schaltdruck p₂, ausgesetzt, so dass das Verriegelungselement 21 durch den zweiten Schaltdruck p₂ verschoben wird. Das Verriegelungselement 21 wird entgegen der Kraft der Feder 14, welche an einem Deckel 27 abgestützt ist, in die Trägerwelle 4 hineinbewegt. Dadurch ist das Kontursegment 8 frei, und die Kugel 16 kann bis zu dem oberen Anschlag AO verlagert werden kann. Die Drehfeder 20 in dem Verdrehbalken 18 lässt den Verdrehbalken 18 wieder in seiner Ausgangsposition zurückschnappen und sperrt damit das Rückfallen der Kugel 16 in die zweite Schaltstellung S2. Wenn der zweite Schaltdruck p₂ abfällt, befindet sich die Kugel 16 im oberen Anschlag Ao und das Verriegelungselement 21 fährt wieder aus.
In der 16 ist eine weitere Ausgestaltung einer Kontur mit einem Kontursegment 8 in Form eines Verdrehbalkens 18 dargestellt. Die Kontur 6 ist dabei ähnlich einer Halbherzform mit einer länglichen Nut 24 und einer Ausbuchtung 25 ausgebildet, wobei das verlagerbare Kontursegment 8 in Form eines zweiteiligen Verdrehbalkens 18 ausgebildet ist. Der Verdrehbalken 18 weist dabei einen ersten Flügel 22 und einen zweiten Flügel 23 auf. Der erste Flügel 22 kann dabei wahlweise durch ein Verriegelungselement 21 verriegelbar ausgebildet sein. Im Gegensatz zu der in 14a, b dargestellten Kontur 8 kann auf eine gesonderte Rücklaufbahn 26 von der zweiten in die erste Schaltstellung S2, S1 verzichtet werden, wodurch die Fertigung vereinfacht werden kann. Der erste Flügel 22 weist dabei eine nicht näher dargestellte Rückstellfeder auf und der zweite Flügel 23 des Verdrehbalkens 18, welcher formschlüssig gegen die Kontur 8 abgestützt ist, weist eine ebenfalls nicht dargestellte Verdrehfeder auf.
Der erste Flügel 22 des Verdrehbalkens 18 wird dabei erst durch den zweiten Schaltdruck p₂ entriegelt, wodurch auch sichergestellt ist, dass der Verdrehbalken 18 nach seiner Betätigung wieder an den Anschlag zurückgedreht ist, bevor der zweite Schaltdruck p abgesenkt wird und das Verriegelungssystem 10 das Verriegelungselement 21 hinausfährt. Der Verdrehbalken 18 muss hier derart zweiteilig ausgeführt werden, damit eine Schaltung von der zweiten Schaltstellung S2 in die erste Schaltstellung S1 überhaupt möglich wird. Durch die Verriegelungsvorrichtung 10 und die aufgezeichnete Reihenfolge der Kräfte ist ersichtlich, dass ein Rückfallen der Kugel 16 sonst nicht machbar wäre, da die Kraft der Rückstellfeder kleiner ist als die Kraft durch den zweiten Schaltdruck p₂, die notwendig wäre, um den Verriegelungsmechanismus 10 zu entriegeln. Der erste Flügel 22 und der linke zweite Flügel 23 des Verdrehbalkens 18 agieren somit unabhängig voneinander und die Kugel 16 kann ohne Betätigung der Verriegelungsvorrichtung 10 in die erste Schaltstellung S1 zurückgeführt werden.
Die 17 zeigt einen gewünschten Motoröldruckverlauf über die Motordrehzahl n, wobei oberhalb des Motoröldruckes p_b des Verbrennungsmotors jeweils der erste Schaltdruck p₁ und der zweite Schaltdruck p₂ dargestellt sind. Der zweite Schaltdruck p₂ kann hierbei auch als Synchronisierungsdruck bezeichnet werden, da bei Anlegen des zweiten Schaltdruckes p₂ an alle Umschaltventile 1, 1a usw. diese in eine definierte erste Schaltstellung S1 zurückgeführt werden.
In der 18 ist die zeitliche Wirkdauer des ersten Schaltdruckes p₁ und des zweiten Schaltdruckes p₂ dargestellt, wobei durch das Anlegen des ersten Schaltdruckes p₁ und dessen Reduzierung auf pb das Umschaltventil 1 von der ersten Schaltstellung S1 in die zweite Schaltstellung S2 umschaltbar ist. Durch das nochmalige Anlegen des ersten Schaltdruckes p₁ und wiederum Verringerung auf p_b wird eine Umschaltung des Schaltventils von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung S1 vorgenommen. Eine Synchronisierung sämtlicher Umschaltventile wird dadurch bewirkt, dass alle mit dem zweiten Schaltdruck p₂ beaufschlagten Umschaltventile 1, 1a usw. in die erste Schaltstellung S1 geschaltet werden, unabhängig von der zuvor eingenommenen Schaltstellung. Die Motordrehzahl n bleibt hierbei konstant.
In der 19 ist mit 28 ein Pleuel für eine Zylindereinheit eines Verbrennungsmotors bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 29 und einem Pleuelunterteil 30 besteht. Das Pleueloberteil 29 und das Pleuelunterteil 30 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 31, über welches das Pleuel 28 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 29 mit einem Pleuelauge 32 versehen, in welchem über ein als Exzenter 33 ausgebildetes Verstellelement 34 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 35 angeordnet ist.
Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 35 ist ein Arbeitskolben 36 einer Zylindereinheit des Verbrennungsmotors an dem Verstellelement 34 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
Der Exzenter 33 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 28 einerseits und dem Kolbenbolzen 35 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 33 weist diametral verlaufende Laschen 37 und 38 auf, die jeweils über Kolbenstangen 39 und 40 mit einfachwirkenden Stellkolben 41 und 42 verbunden sind. Die Stellkolben 41 und 42 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 33 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 41 und 42 die Drehbewegung des Exzenters 33 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 33 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
Die Stellkolben 41 und 42 sind in Stützzylindern 43 und 44 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 45 und 46, in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl des Verbrennungsmotors aus einem im Pleuellagerauge 31 angeordneten Pleuellager 47 über Ölzulaufleitungen 48 und 49 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 45 und 46 eine Ölrücklaufleitung 50 bzw. 51 aus, die beide in eine Aufnahmebohrung 52 für ein im Zusammenhang mit den 1a–d, 3, 5a–c, 6a–d und 7a–d beschriebenes Umschaltventil 1 einmünden. Von dem Pleuellager 47 führt außerdem eine Steuerleitung 53, deren Funktion nachfolgend im Zusammenhang mit der 20 erläutert wird, zu der Aufnahmebohrung 52.
Aus dem Hydraulikplan der 20 geht die Verbindung des durch ein hydraulisches Schaltsymbol als 4/2-Wegeventil dargestellten Umschaltventils 1 mit den Ölrücklaufleitungen 50 und 51, einer drucklosen Tankleitung 54, die in eine Ölwanne des Verbrennungsmotors führt, sowie der Steuerleitung 53 hervor. Eine in ihrem Fördervolumen verstellbare Hydraulikpumpe 58 fördert danach das als Hydraulikflüssigkeit dienende Schmieröl über eine Ölgalerie 55 in das Pleuellager 47, das in der schematischen Darstellung als deren Verbindung mit den beiden Ölzulaufleitungen 48 und 49 dargestellt ist.
In jeder der Ölzulaufleitungen 49 und 50 ist ein Rückschlagventil 56 bzw. 57 angeordnet, so dass das Ölvolumen, das sich in den Druckräumen 45 und 46 der beiden Stützzylinder 43 und 44 befindet, aus diesen nur über die jeweilige Ölrücklaufleitung 50 oder 51, die über das Umschaltventil 1 gesteuert werden, austreten kann. Wie weiterhin aus der 20 hervorgeht, ist das Umschaltventil 1 hydraulisch über den Druck der Ölgalerie 55 bzw. der Ölzulaufleitungen 48 und 49 betätigt. Wie bereits dargelegt, soll die Steuerleitung 53, über die die hydraulische Betätigung erfolgt, vorzugsweise im Pleuellager 47 von der Ölgalerie 55 bzw. von den Ölzulaufleitungen 48 und 49 abzweigen. Über eine Rücklaufleitung 59 kann mittels des Umschaltventils Druckmittel drucklos in eine Ölwanne des Verbrennungsmotors abgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Umschaltventil
2: Gehäuse
3: Steuerschieber
4: Trägerwelle
5: Rückstellfeder
6: Kontur
7: Nut (Steuerschieber)
8: Kontursegment
9: Stempel
10: Verriegelungsvorrichtung
11: Verriegelungsbolzen
12: Bohrung (Verriegelung)
13: Verriegelungsfeder
14: Feder
15: Aufnahmebohrung
16: Kugel
17: Leitvorrichtung
18: Verdrehbalken
19: Drehbolzen
20: Drehfeder
21: Verriegelungselement
22: erster Flügel
23: zweiter Flügel
24: Nut
25: Ausbuchtung
26: Rücklaufbahn
27: Deckel
28: Pleuel
29: Pleueloberteil
30: Pleuelunterteil
31: Pleuellagerauge
32: Pleuelauge
33: Exzenter
34: Verstellelement
35: Kolbenbolzen
36: Arbeitskolben
37: Lasche
38: Lasche
39: Kolbenstange
40: Kolbenstange
41: Stellkolben
42: Stellkolben
43: Stützzylinder
44: Stützzylinder
45: Druckraum
46: Druckraum
47: Pleuellager
48: Ölzulaufleitung
49: Ölzulaufleitung
50: Ölrücklaufleitung
51: Ölrücklaufleitung
52: Aufnahmebohrung
53: Steuerleitung
54: Tankleitung
55: Ölgalerie
56: Rückschlagventil
57: Rückschlagventil
58: Hydraulikpumpe
59: Rücklaufleitung
S1: erste Schaltstellung
S2: zweite Schaltstellung
Au: unterer Anschlag
Ao: oberer Anschlag
Pb: Betriebsdruck
P1: ersten Schaltdruck
P2: zweiter Schaltdruck
n: Motordrehzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010016037 A1 [0003, 0009]

Claims

Umschaltventil zum Steuern eines Hydraulikölstromes für einen Verbrennungsmotor, welcher ein insbesondere mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit einem auf einer Trägerwelle (4) des Umschaltventils (1) angeordnetem Steuerschieber (3), welcher abhängig von seiner Schaltstellung (S1, S2) den Hydraulikölstrom steuert, und einem insbesondere nach der Art einer Kugelschreibermechanik wirkenden Schaltmechanismus für den Steuerschieber (3), der nach Art einer Kugelmechanik ausgebildet ist, bei welchem eine verschiebbar in einer innenliegenden Nut (7) des Steuerschiebers (3) angeordnete Kugel (16) in einer außenseitig auf der Trägerwelle (4) vorgesehenen Kontur (6) geführt wird, so dass bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils (1) mit einem ersten Schaltdruck (P₁) der Steuerschieber (3) wechselseitig in eine erste Schaltstellung (S1) oder eine zweite Schaltstellung (S2) verlagerbar und arretierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Beaufschlagung des Umschaltventils (1) mit einem zweiten Schaltdruck (P₂) der Steuerschieber (3) schaltstellungsunabhängig in einem Schaltvorgang in eine definierte Schaltstellung (S1, S2) verschiebbar ist.
Umschaltventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (6) zur Kugelführung druckabhängig zumindest teilweise veränderbar ist
Umschaltventil nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (6) mindestens ein, insbesondere verriegelbares, Kontursegment (8) aufweist, welches zumindest teilweise translatorisch und/oder rotatorisch verlagerbar ist.
Umschaltventil nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontursegment (8) in Form eines, insbesondere translatorisch verlagerbaren, Stempels (9) ausgebildet ist.
Umschaltventil nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontursegment (8) in Form eines, insbesondere rotatorisch verlagerbaren, Verdrehbalkens (18) ausgebildet ist.
Umschaltventil nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (1) eine Verriegelungsvorrichtung (10) zur Verriegelung mindestens eines Teils mindestens eines Kontursegmentes (8) aufweist
Umschaltventil nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ist bei einem wechselseitigen Schalten des Umschaltventils (1) der Steuerschieber (3) mittels des ersten Schaltdruckes (P1) von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung (S2) verbringbar ist und durch Beaufschlagung mit dem zweiten Schaltdruck (P2) von der zweiten Schaltstellung (S2) in die erste Schaltstellung (S1) zurücksetzbar ist.
Umschaltventil nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (6) im Wesentlichen herzförmig oder halbherzförmig ausgebildet ist.
Umschaltventil nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontursegment (8) eine Leitvorrichtung (17), insbesondere in Form einer Ausnehmung oder Erhöhung, zur Vorgabe einer Vorzugsrichtung zur Führung der Kugel (16) aufweist.
Verbrennungsmotor, welcher ein einstellbares Verdichtungsverhältnis aufweist, mit mindestens einem Umschaltventil (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche.