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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Wegeventil mit einem in einer zylindrischen Aufnahmebohrung verschiebbar angeordneten, hydraulisch betätigbaren Steuerschieber, der zumindest einen mit Steuerkanten versehenen Ventilkolben aufweist und durch eine Druckmittelbeaufschlagung an einer ersten Stirnseite, welche über einen mit einem Steueranschluss verbundenen Steuerraum erfolgt, entgegen der Kraft einer an einer zweiten Stirnseite angreifenden Rückstellfeder betätigbar ist, wobei in zumindest einer der Schaltstellungen des Wegeventils über den Steuerschieber ein Arbeitsanschluss mit dem Steuerraum verbunden ist.
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Stand der Technik
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Wegeventile werden vorgesehen, um eine hydraulische Verbindung zwischen verschiedenen Leitungen abzusperren oder freizugeben, wodurch insgesamt wechselnde Leitungsverknüpfungen geschaffen werden können. Dabei können Wegeventile mit einer direkten hydraulischen Betätigung versehen sein, wofür eine stirnseitige Kolbenfläche des Steuerschiebers mit einem Steuerdruck beaufschlagt wird. Eine Rückstellung des Steuerschiebers kann durch eine als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder erfolgen. Wegeventile weisen in der Regel einen mit zumindest einem Ventilkolben versehenen Steuerschieber auf, der in einer Aufnahmebohrung eines Ventilgehäuses oder unmittelbar des Bauteils, das das Wegeventil aufnimmt, geführt ist. Dabei ist der zumindest eine Ventilkolben mit Steuerkanten versehen, die mit Anschlusskanälen oder -bohrungen derart zusammenwirken, dass sich eine positive oder negative Überdeckung ergibt.
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Im vorliegenden Fall ist weiterhin vorgesehen, das entsprechende Wegeventil vorzugsweise im Rahmen einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verwenden. Das Verdichtungsverhältnis ε einer Zylindereinheit ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes. Das Verdichtungsverhältnis von Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird erhöht, um deren Wirkungsgrad zu steigern, was zur Folge hat, dass der Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine reduziert wird. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.
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Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches. Demgegenüber könnte des Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch des zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
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Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie z. B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
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Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, die in der Weise eine Verstellung des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen vornehmen, dass ein Exzenter durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt wird. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist insbesondere für eine am Kolbenbolzenlager vorgesehene Vorrichtung zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden. Entsprechende Druckräume sind dabei über Leitungsabschnitte mit einem innerhalb des Pleuels angeordneten Wegeventil verbunden.
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Ein Wegeventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2013 103 685 A1 bekannt. Mit diesem wird eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteuert, welche mit einem in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordneten Exzenter versehen ist. Innerhalb des mit zwei diametral verlaufenden Laschen versehenen Exzenters verläuft eine Kolbenbolzenbohrung, in der ein einen Arbeitskolben mit dem Pleuel verbindender Kolbenbolzen angeordnet ist. An den Laschen greift jeweils eine Kolbenstange der Vorrichtung an, wobei die Kolbenstangen mit Verstellkolben verbunden sind. Führungszylinder, die die Verstellkolben aufnehmen, werden über Ölzulaufleitungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Pleuellager versorgt. Neben der entsprechenden Ölzulaufleitung ist an jeden der beiden Führungszylinder eine Ölrücklaufleitung angeschlossen, die zu dem die Vorrichtung steuernden Wegeventil führt.
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Über das Wegeventil, das aus einem hülsenartigen Gehäuse und einem kolbenartig ausgebildeten Steuerschieber besteht, wird wahlweise einer der Druckräume der Führungszylinder über die entsprechende Ölrücklaufleitung entleert. Der Steuerschieber wird über einen Steuerraum stirnseitig mit einem Druck beaufschlagt, der über eine als Verstellpumpe ausgebildete Schmierölpumpe variiert wird. Eine über den Steuerraum mit dem Druck beaufschlagte Stirnseite des Steuerschiebers ist kegelstumpfartig ausgebildet, so dass in einer Endstellung des Steuerschiebers, die einer ersten Schaltstellung entspricht, zunächst nur ein kreisringartiger Flächenanteil der Stirnseite mit dem Druck beaufschlagt wird. In einer zweiten Schaltstellung des Wegeventils, in das dieses über einen Steuerdruck verschoben und mittels eines kugelschreibermechanikartigen Schaltmechanismus arretiert wird, nimmt der Steuerschieber eine Stellung ein, in welcher gelangt das Druckmittel aus einer der Ölrücklaufleitungen in den Steuerraum und somit in die Steuerleitung gelangt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktion und die Ausbildung des Wegeventils zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach soll sich der Steuerraum gleichachsig zur Aufnahmebohrung erstrecken und in seinem Bohrungsdurchmesser gegenüber dem der Aufnahmebohrung reduziert sein, wobei an dessen der Aufnahmebohrung zugewandten Ende ein Ventilsitz ausgebildet ist. Außerdem nimmt der Steuerschieber an seiner mit dem Steuerdruck beaufschlagten Stirnseite einen gegenüber dem zumindest einen Ventilkolben im Durchmesser reduzierten Steuerkolben auf, dessen Außenmantelfläche zumindest abschnittsweise dichtend mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Die Außenmantelfläche des Steuerkolbens und des Ventilsitzes ist derart, dass der Steuerschieber, ausgehend von einer ersten Schaltstellung zunächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche und nach einer vorgegebenen Stellbewegung am gesamten stirnseitigen Querschnitt mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird. Außerdem ist zwischen dem der zweiten Stirnseite zugewandten Ende der Rückstellfeder und dieser Stirnseite ein Übertragungselement angeordnet ist, über welches die Federkraft ausschließlich über einen mittigen Angriffspunkt auf den Steuerschieber übertragen wird.
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Somit kann der Steuerdruck mit dem zunächst eine Stirnfläche des Steuerkolbens beaufschlagt wird. reduziert werden, nachdem die Außenmantelfläche vom Ventilsitz abgehoben hat. Mittels des Übertragungselements wird erreicht, dass die am Steuerkolben vorgesehene Dichtfläche gleichmäßig an den am Ende des Steuerraums ausgebildeten Ventilsitz angepresst wird.
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Ist, wie üblich, die als Schraubenfeder ausgebildete Rückstellfeder mit geschliffenen und angelegte Enden versehen, von denen eines unmittelbar an der zweiten Stirnseite des Steuerschiebers anliegt, so erstreckt sich die wirksame Anlagefläche der Rückstellfeder nur über etwa 260°. Das hat zur Folge, dass die von der Rückstellfeder übertragene Kraft ungleichmäßig auf den Steuerschieber und somit auch mit, über den gesamten Dichtungsumfang gesehen, unterschiedlichen Anpresskräften auf dessen vorgenannte stirnseitige Abdichtung wirkt. Dadurch tritt das Problem auf, dass zum Beginn eines Umschaltvorgangs des Steuerschiebers der Steuerraum nicht in ausreichendem Maße gegenüber dem Inneren der Aufnahmebohrung abgedichtet ist und folglich Funktionsstörungen auftreten. Das Übertragungselement sorgt dafür, dass, ausgehend von der auf dieses übertragene Federkraft der Rückstellfeder, die Kraft durch die mittige punktförmige Anlage des Übertragungselements an der zweiten Stirnseite des Steuerschiebers gleichmäßig verteilt auf den Dichtungsverbund übertragen wird.
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Demgegenüber nimmt der Steuerschieber des Wegeventils nach der
DE 10 2013 103 685 A1 keinen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Steuerkolben auf. Der Steuerschieber ist in diesem Fall verschiebbar auf einem sogenannten Rastierelement angeordnet, das sich beidseitig jeweils an einem Boden eines Ventilgehäuses abstützt. Durch den einen Boden und durch die Aufnahmebohrung wird ein Steuerraum begrenzt. Der Steuerschieber ist, wie bereits dargelegt, an seinem dem Steuerraum zugewandten Ende kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass in einer Grundstellung des Steuerschiebers, in der dieser an dem Boden anliegt, ein äußerer ringförmiger Teil des Steuerraums erhalten bleibt, wodurch ein Druckaufbau im Steuerraum über eine radiale Druckleitung ermöglicht wird. Dabei ist aber eine stufenweise Beaufschlagung des Steuerschiebers mit unterschiedlichen Steuerdrücken nicht vorgesehen, denn die entsprechende Ausbildung der Stirnfläche des Steuerschiebers dient nur dazu, dass diese bei einer Druckbeaufschlagung vom Boden abhebt. Außerdem liegt das Ende der Rückstellfeder unmittelbar an einer kreisringförmigen Stirnseite des Steuerkolbens an, so dass die zuvor erläuterten Nachteile auftreten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Steuerschieber ist topfförmig ausgebildet sein, wobei von dem die Stirnseiten bildenden kreisförmigen Boden einerseits der Steuerkolben ausgeht und andererseits an diesem die Rückstellfeder punktuell über das Übertragungselement abgestützt ist. Dabei kann das zumindest abschnittsweise an die kreisförmige Fläche angepasste Übertragungselement mittig mit einem in axialer Richtung vorspringenden Ansatz versehen sein. Ein hohlzylindrischer Abschnitt des Steuerschiebers nimmt dabei das Übertragungselement auf. Außerdem kann das Übertragungselement topfförmig ausgebildet sein, wobei ein hohlzylindrischer Abschnitt des topfförmigen Übertragungselements das entsprechende Ende der Rückstellfeder aufnimmt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der in axialer Richtung vorspringende Ansatz durch einen spanlosen Umformprozess bei der Herstellung des Übertragungselements an dessen Boden ausgeformt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, den Ansatz, der zylindrisch oder kegelstumpfförmig verläuft, durch einen Fließpressvorgang herzustellen. Alternativ dazu kann der Boden auch derart verformt werden, dass ein balliger Ansatz entsteht.
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Außerdem kann die Außenmantelfläche des Steuerkolbens einen gekrümmten Verlauf aufweisen, während die Dichtfläche des Ventilsitzes mit einem Radius ausgebildet sein. Dadurch ist eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche des Steuerkolbens ballig ausgebildet. Da auch die Dichtfläche des Ventilsitzes mit einem Radius verläuft, ergibt sich ein Linienkontakt zwischen den beiden aneinander anliegenden Bauteilen. Der Ventilsitz kann aber auch eben, also kegelförmig verlaufen. Der mit dem Steuerschieber verbundene Steuerkolben weist insgesamt eine zylindrische oder kegelstumpfartige Außenkontur auf, wobei die kreisförmige Steuerfläche des Steuerkolbens in der Grundstellung des Steuerschiebers eine Lage innerhalb des Steuerraums einnimmt.
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Weiterhin kann in der kreisringförmigen Stirnseite, die den Steuerkolben radial umgibt, am Übergang in den Steuerkolben eine ringförmige Nut vorgesehen sein, welche einen in axialer Richtung wirkenden Dichtring aufnimmt. Dieser aus einem elastischen Werkstoff hergestellte Dichtring soll mit einem Ventilsitz zusammenwirken, der vorzugsweise eine ballige Ventilsitzfläche aufweist.
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Das Wegeventil kann ein die Aufnahmebohrung bildendes Ventilgehäuse aufweisen, wobei in diesem auch der Steuerraum vorgesehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Aufnahmebohrung unmittelbar in dem das Wegeventil aufnehmenden Bauteil vorzusehen, welches beispielsweise ein Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sein kann. Als weiter Lösung wir vorgeschlagen, das Ventilgehäuse als Einpresshülse auszubilden, die in eine Sackbohrung eines das Wegeventil aufnehmenden Bauteils angeordnet ist. Die Sackbohrung ist dann als Stufenbohrung ausgeführt und weist an ihrem Ende den Steuerraum auf.
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Schließlich ist vorgesehen, das Wegeventil in einer Aufnahmebohrung eines Pleuels anzuordnen, wobei es zur Steuerung zweier mit einem Verstellelement zusammenwirkenden Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dient. Dabei ist das Verstellelement durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich in Stützzylindern geführte einfachwirkende Stellkolben, die gemeinsam mit den Stützzylindern jeweils einen Druckraum bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, und wobei über das Wegeventil wahlweise Ölrücklaufleitungen, die jeweils von den Druckräumen ausgehen, druckentlastbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Anbindung des Steuerkolbens an den Steuerschieber ist dieses Bauelement des Wegeventils an seiner dem Steueranschluss zugewandten Stirnseite stufenartig ausgebildet. Der Steuerschieber wird in seiner Grundstellung zunächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche, d. h., an der kreisförmigen Steuerfläche des Steuerkolbens und nach einer vorgegebenen Stellbewegung sowohl an dieser als auch an einer kreisringförmigen Fläche des Steuerschiebers mit hydraulischem Druck beaufschlagt. In der Grundstellung des Steuerschiebers, in welcher dieser den mit der einen Ölrücklaufleitung verbundenen Nutzanschluss öffnet, liegt dessen stufenartige Stirnseite an einem axial wirkenden Anschlag an. In diesem Zustand herrscht in der Ölzulaufleitung und somit am Steueranschluss ein Druck der Hydraulikflüssigkeit, die unterhalb eines Grenzdruckes liegt.
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Dabei wird der Druck in der Ölzulaufleitung, beispielsweise durch eine als Verstellpumpe ausgebildete Ölpumpe moduliert. Dadurch wird erreicht, dass der Steuerschieber des Wegeventils in eine seiner Schaltstellungen bewegt wird. In diesen Schaltstellungen ist jeweils einer der Druckräume druckentlastet, so dass sich der betreffende Stellkolben durch die Triebwerkskräfte in seine eingefahrene Stellung bewegen kann. In der ersten Schaltstellung, die als Grundstellung angesehen werden kann und in der sich der Steuerschieber bei niedrigem Betätigungsdruck befindet, gibt der Steuerschieber den Anschluss der einen Ölrücklaufleitung frei, bei maximaler Verschiebung, also hohem Betätigungsdruck, wird der Steuerschieber in seine zweite Schaltstellung bewegt und gibt in dieser den Anschluss die andere Ölrücklaufleitung frei.
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Dabei ist über den Steuerschieber in einer Schaltstellung eine der Ölrücklaufleitungen mit dem Steueranschluss verbunden, während in der anderen Schaltstellung des Steuerschiebers die andere Ölrücklaufleitung mit einem Tankanschluss verbunden ist, oder dass über den Steuerschieber beide Ölrücklaufleitungen abwechselnd mit dem Steueranschluss verbunden werden. In letzterem Fall wird das abgeführte Druckmittel stets der Steuerleitung zugeführt. Zu diesem Zweck kann innerhalb des Steuerschiebers oder des Ventilgehäuses ein Verbindungskanal vorgesehen sein.
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Im Rahmen dieser Betätigung des Steuerschiebers erfolgt zunächst eine Druckbeaufschlagung an der Steuerfläche des als Sperrventil wirkenden Steuerkolbens. Dieser hebt vom Ventilsitz ab, so dass das Druckmittel in die Aufnahmebohrung des Wegeventils gelangt und zusätzlich eine Ringfläche des Steuerschiebers beaufschlagt. Daher kann der Betätigungsdruck reduziert werden, ohne dass der Umschaltvorgang unterbrochen wird. Der Steuerschieber wird anschließend mit diesem verringerten Steuerdruck in dieser Schaltstellung gehalten.
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Wenn, wie vorgesehen, das Druckmittel über das Wegeventil aus einer entsprechenden Ölrücklaufleitung in die Steuerleitung abgeführt wird, kann verhindert werden, dass ein relativ hoher Druck in der Steuerleitung das Ausströmen des Hydrauliköles aus dem entsprechenden Führungszylinder behindert. Die Vorteile der Ölrückführung aus der Ölrücklaufleitung in die Ölzulaufleitung liegen darin, dass die Ölpumpe mit geringerer Leistung ausgeführt werden kann und der Schmieröldruck im Pleuellager durch das Abströmen des Schmieröls in die Ölwanne nicht auf ungünstige Werte verringert wird. Außerdem muss die Verstellpumpe in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils nicht ständig mit einem hohen Fördervolumen betrieben werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
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1 im Längsschnitt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wegeventil in seiner ersten Schaltstellung,
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2 im Längsschnitt das Wegeventil nach 1 in seiner zweiten Schaltstellung
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3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung eines in einer Einpressshülse längsverschiebbar angeordneten Steuerschiebers entsprechend der Anordnung nach 1,
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4 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform eines in der Anordnung nach den 1 und 2 verwendeten Übertragungselements,
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5 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines Übertragungselements,
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6 im Längsschnitt eine dritte Ausführungsform eines Übertragungselements,
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7 als Einzelteil eine Rückstellfeder in einer perspektivischen Darstellung,
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8 einen Querschnitt durch einen endseitigen Anlagefeder der Rückstellfeder,
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9 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
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10 einen Hydraulikplan mit dem in diesem angeordneten Wegeventil sowie mit in Stützzylindern geführten Stellkolben, die mit dem Verstellelement nach 9 zusammenwirken.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In den 1 und 2 ist mit 1 ein Wegeventil bezeichnet, das sich gemäß der 1 in einer ersten Schaltstellung und gemäß der 2 in seiner zweiten Schaltstellung befindet. Das Wegeventil 1 weist eine als Außengehäuse 2 dienende hohlzylindrische Einpresshülse 3 auf, die in eine Sackbohrung 4 eines Bauteils 5 eingepresst ist. Die Einpresshülse 3 weist eine Innenmantelfläche 6 auf, die als Aufnahmebohrung 6a eines Steuerschiebers 7 dient und an welcher der Steuerschieber 7 verschiebbar geführt ist. Weiterhin ist die Einpresshülse 3 mit radial verlaufenden Arbeitsanschlüssen 8 und 9 versehen, deren Verbindung mit hydraulischen Stellzylindern nachfolgend noch im Zusammenhang mit den 9 und 10 beschrieben werden wird.
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Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, ist die Sackbohrung 4 als Stufenbohrung ausgebildet, so dass sich an die Einpresshülse 3 in axialer Richtung ein mit geringerem Innendurchmesser ausgeführter zylindrischer Steuerraum 10, der in dem Bauteil 5 ausgebildet ist, anschließt. An diesen Steuerraum 10 ist ein Steueranschluss 11 angeschlossen. Der in der Einpresshülse 3 längsverschiebbar angeordnete Steuerschieber 7 ist topfförmig ausgeführt und an einer ersten Stirnseite 12 mit einem konzentrisch zum Steuerschieber 7 verlaufenden Steuerkolben 13 versehen, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Steuerschiebers 7. Im Übrigen kann der Steuerkolben 13 bei einer axialen Verschiebung des Steuerschiebers 7, die mit der Kraft einer Rückstellfeder 14 erfolgt, aufgrund seiner radialen Abmessung in den Steuerraum 10 bewegt werden.
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Die Rückstellfeder 14 ist an einem Bodenblech 15 abgestützt, das mittels eines Seegeringes 16 im endseitigen Abschnitt 17 der Einpresshülse 3 fixiert ist. Der Steuerschieber 7, der, wie bereits dargelegt, topfförmig ausgebildet ist, weist einen hohlzylindrischen Abschnitt 18 sowie einen Boden 19 auf, von dem zentrisch der Steuerkolben 13 ausgeht. An einer zweiten vom Steuerkolben 13 abgewandten Stirnseite 20 des Bodens 19 liegt mittels eines zentrischen, in axialer Richtung vorragenden Ansatzes 21 ein Übertragungselement 22 an, das ebenfalls topfförmig gestaltet ist. Mittig eines kreisförmigen Bodens 23 dieses Übertragungselements 22 befindet sich der Ansatz 21, während an der vom Ansatz 21 abgewandten Fläche des Bodens 23 die Rückstellfeder 14 abgestützt ist.
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Der Steuerschieber 7 weist Steuerkanten 24 und 25 auf, die jeweils mit den Arbeitsanschlüssen 8 und 9 zusammenwirken. in der 1 ist der Steuerschieber 7 in einer Position, in der die Steuerkante 24 den Arbeitsanschluss 8 freigibt, so dass das Druckmittel aus diesem über eine Ablaufbohrung 26, die im Bodenblech 15 vorgesehen ist, abfließen kann. Die zweite Steuerkante 25 begrenzt die erste Stirnseite 12, die mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. In der 2 ist der Steuerschieber 7 durch die Beaufschlagung mit dem Steuerdruck soweit innerhalb der Einpresshülse 3 verschoben, dass die Steuerkante 25 den Arbeitsanschluss 9 freigibt. Dadurch kann das Druckmittel aus diesem in den Steueranschluss 11 strömen. Wie weiterhin den 1 und 2 zu entnehmen ist, weist die erste Stirnseite 12 im Bereich ihres Übergangs in den Steuerkolben 13 eine diesen umschließende Ringnut 27 auf, die einen Dichtring 28 aufnimmt. In der 1 liegt der Dichtring 28 dichtend an einem Ventilsitz 29 an, der am Ende des zylindrischen Steuerraums 10 vorgesehen ist und eine ballige Ventilsitzfläche 30 aufweist.
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Mittels der vorstehend beschriebenen Gestaltung des Steuerschiebers 7 mit dem von diesem zentrisch ausgehenden Steuerkolben 13, dem Steuerraum 10 und dem Dichtring 28 wird erreicht, dass während einer ersten Phase der Verschiebung des Steuerschiebers 7 gemäß den 1 und 3 nur eine reduzierte Stirnfläche, nämlich die des Steuerkolbens 13 mit Druck beaufschlagt wird und dass sich daran eine Phase anschließt, in der die gesamte erste Stirnseite 12 des Steuerkolbens 13, nämlich seine kreisringförmige Fläche und die Stirnfläche des Steuerkolbens 13 beaufschlagt werden (siehe 2).
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Für diese Funktion ist es von Bedeutung, dass der Dichtring 28 seine Dichtfunktion absolut zuverlässig erfüllt. Da bei einer unmittelbaren Anlage der Rückstellfeder 14 an der zweiten Stirnseite 20 der Steuerschieber 7 über die Rückstellfeder 14 ungleichmäßig belastet wird, tritt auch eine ungleichmäßige Anpressung des Dichtringes 28 auf, was Leckagen zur Folge hat. Aus diesem Grund ist das mit dem Ansatz 21 versehene Übertragungselement 22 vorgesehen, das die Kraft der Rückstellfeder 14 mittig in den Steuerschieber 7 einleitet.
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Die 4, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Übertragungselements 22. Nach der 4 weist dieses einen Ansatz 21 auf, der, im Längsschnitt gesehen, etwa kegelstumpfförmig gestaltet ist. Demgegenüber ist der Ansatz 21 nach der 5 mit einer sphärischen Geometrie versehen. Diese beiden Ansätze 21 können beispielsweise durch ein Fleißpressverfahren hergestellt werden. Schließlich zeigt die 6 einen Ansatz 21, der durch eine ballige Ausformung des Bodens 23 hergestellt ist.
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In der 7 ist die als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder 14 als Einzelteil dargestellt. Es ist erkennbar, dass ein Anlagebereich dieser Schraubenfeder durch eine auslaufende Windung 31 gebildet wird. Diese ist im Querschnitt in der 8 dargestellt. Die auslaufende Windung 31 würde mit einer schraffierten Fläche 32 dieses Anlagebereichs an der zweiten Stirnseite 20 des Steuerschiebers 7 anliegen, wenn kein Übertragungselement 22 zur Anwendung käme, und damit käme es zu einer ungleichmäßigen Anpressung des Dichtringes 28 am Ventilsitz 29. Das wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Übertragungselements 22 vermieden.
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9 ist mit 33 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 34 und einem Pleuelunterteil 35 besteht. Das Pleueloberteil 34 und das Pleuelunterteil 35 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 36, über welches das Pleuel 33 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 34 mit einem Pleuelauge 37 versehen, in welchem über ein als Exzenter 38 ausgebildetes Verstellelement 39 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 40 angeordnet ist.
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Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 40 ist ein Arbeitskolben 41 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 39 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.
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Der Exzenter 38 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 33 einerseits und dem Kolbenbolzen 40 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 38 weist diametral verlaufende Laschen 42 und 43 auf, die jeweils über Kolbenstangen 44 und 45 mit einfachwirkenden Stellkolben 46 und 47 verbunden sind. Die Stellkolben 46 und 47 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 38 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 46 und 47 die Drehbewegung des Exzenters 38 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 38 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
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Die Stellkolben 46 und 47 sind in Stützzylindern 48 und 49 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 50 und 51, in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 36 angeordneten Pleuellager 52 über Ölzulaufleitungen 53 und 54 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 50 und 51 eine Ölrücklaufleitung 55 bzw. 56 aus, die, wie aus der 9 hervorgeht, beide in eine Ventilaufnahmebohrung 57 für das im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebene Wegeventil 1 einmünden. Von dem Pleuellager 52 führt außerdem eine Steuerleitung 58, deren Funktion nachfolgend noch erläutert wird, zu der Ventilaufnahmebohrung 57.
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Aus dem Hydraulikplan der 10 geht die Verbindung des durch ein hydraulisches Schaltsymbol als 4/2-Wegeventil dargestellten Wegeventils 1 mit den Ölrücklaufleitungen 55 und 56, einer drucklosen Tankleitung 59, die in eine Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine führt, sowie der Steuerleitung 58 hervor. Eine in ihrem Fördervolumen verstellbare Hydraulikpumpe 60 fördert danach das als Hydraulikflüssigkeit dienende Schmieröl über eine Ölgalerie 61 in das Pleuellager 52, das in der schematischen Darstellung als deren Verbindung mit den beiden Ölzulaufleitungen 55 und 56 dargestellt ist.
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In jeder der Ölzulaufleitungen 53 und 54 ist ein Rückschlagventil 62 bzw. 63 angeordnet, so dass das Ölvolumen, das sich in den Druckräumen 50 und 51 der beiden Stützzylinder 48 und 49 befindet, aus diesen nur über die jeweilige Ölrücklaufleitung 55 oder 56, die über das Wegeventil 1 gesteuert werden, austreten kann. Wie weiterhin aus der 10 hervorgeht, ist das Wegeventil 1 hydraulisch über den Druck der Ölgalerie 61 bzw. der Ölzulaufleitungen 53 und 54 betätigt. Wie bereits dargelegt, soll die Steuerleitung 58, über die die hydraulische Betätigung erfolgt, vorzugsweise im Pleuellager 52 von der Ölgalerie 61 bzw. von den Ölzulaufleitungen 53 und 54 abzweigen.
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Das Symbol für die hydraulische Betätigung lässt erkennen, dass in einer ersten Phase der Verschiebung des Wegeventils 1 nur eine reduzierte Stirnfläche, nämliche die Stirnfläche des Steuerkolbens 13 mit Druck beaufschlagt wird und dass sich daran eine durch einen Leitungszweig gekennzeichnete Phase anschließt, in der die gesamte Stirnfläche, also neben der Stirnfläche des Steuerkolbens 13 auch die kreisringförmige Stirnseite 12 des Steuerschiebers 7 beaufschlagt wird. In einer ersten Schaltstellung des Wegeventils 1, in der es sich gemäß der 10 befindet, wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum 50 über die Ölrücklaufleitung 55 in die Tankleitung 59 geleitet, wobei die andere Ölrücklaufleitung 56 gesperrt ist, so dass der Stellkolben 46 in den Stützzylinder 48 einfahren kann.
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In der zweiten Schaltstellung des Wegeventils 1 nach dessen Längsverschiebung gegen die Kraft der Rückstellfeder 14 ist die andere Ölrücklaufleitung 54 mit der Steuerleitung 58 und somit mit dem aus der Ölgalerie 61 und den Ölzulaufleitungen 53 und 54 bestehenden Leitungszweig verbunden, während die Ölrücklaufleitung 55 gesperrt ist. Daher kann in diesem Fall der Stellkolben 47 in den Stützzylinder 49 einfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wegeventil
- 2
- Außengehäuse
- 3
- Einpresshülse
- 4
- Sackbohrung
- 5
- Bauteil
- 6
- Innenmantelfläche von 3
- 6a
- Aufnahmebohrung
- 7
- Steuerschieber
- 8
- Arbeitsanschluss
- 9
- Arbeitsanschluss
- 10
- zylindrischer Steuerraum
- 11
- Steueranschluss
- 12
- erste Stirnseite von 7
- 13
- Steuerkolben
- 14
- Rückstellfeder
- 15
- Bodenblech
- 16
- Seegering
- 17
- endseitiger Abschnitt von 3
- 18
- hohlzylindrischer Abschnitt von 7
- 19
- Boden von 7
- 20
- zweite Stirnseite von 7
- 21
- Ansatz
- 22
- Übertragungselement
- 23
- Boden von 22
- 24
- Steuerkante
- 25
- Steuerkante
- 26
- Ablaufbohrung
- 27
- Ringnut
- 28
- Dichtring
- 29
- Ventilsitz
- 30
- Ventilsitzfläche
- 31
- auslaufende Windung von 14
- 32
- schraffierte Fläche
- 33
- Pleuel
- 34
- Pleueloberteil
- 35
- Pleuelunterteil
- 36
- Pleuellagerauge
- 37
- Pleuelauge
- 38
- Exzenter
- 39
- Verstellelement
- 40
- Kolbenbolzen
- 41
- Arbeitskolben
- 42
- Lasche
- 43
- Lasche
- 44
- Kolbenstange
- 45
- Kolbenstange
- 46
- Stellkolben
- 47
- Stellkolben
- 48
- Stützzylinder
- 49
- Stützzylinder
- 50
- Druckraum
- 51
- Druckraum
- 52
- Pleuellager
- 53
- Ölzulaufleitung
- 54
- Ölzulaufleitung
- 55
- Ölrücklaufleitung
- 56
- Ölrücklaufleitung
- 57
- Aufnahmebohrung
- 58
- Steuerleitung
- 59
- Tankleitung
- 60
- Hydraulikpumpe
- 61
- Ölgalerie
- 62
- Rückschlagventil
- 63
- Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013103685 A1 [0007, 0014]
