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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein hydraulisch betätigtes Wegeventil für die Steuerung einer Verstellvorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem in einer Gehäusebohrung längsverschiebbaren, in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbaren Ventilschieber, der an einer ersten axial gerichteten Stirnfläche mit der Kraft einer Rückstellfeder beaufschlagt ist und von dieser in eine erste Schaltstellung bewegbar ist, und der über einen mit einem Steueranschluss verbundenen stirnseitigen Steuerraum an einer zweiten Stirnfläche mit zumindest zwei unterschiedlichen hydraulischen Steuerdrücken beaufschlagbar ist, über die der Ventilschieber in seine zweite Schaltstellung bewegbar ist, wobei Steuerkanten des Ventilschiebers mit zwei Arbeitsanschlüssen, die mit der Verstellvorrichtung verbunden und in axialer Richtung des Ventilschiebers zueinander beabstandet sind, zusammenwirken.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, mit wenigstens einer hydraulischen Stelleinrichtung zum Einstellen der effektiven Länge des Pleuels, die wenigstens einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten Exzenter, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckräume von Stellzylindern, in denen jeweils ein Stellkolben verschiebbar gelagert ist, und wenigstens zwei Kolbenstangen, die jeweils einen Stellkolben mit dem Exzenter verbinden, aufweist.
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Stand der Technik
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Mit dem Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert werden, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. 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 das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das 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, bei denen das Verdichtungsverhältnis über einen innerhalb eines Pleuelauges des Pleuels angeordneten Exzenter verstellt wird. Dieser Exzenter wird an seiner Außenmantelfläche vom Pleuelauge aufgenommen, während in einer exzentrischen Bohrung des Exzenters ein einen Kolbenbolzen aufnehmendes Kolbenbolzenlager angeordnet ist.
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Der entsprechende Exzenter wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Lastkräfte, die aus den Massen- und Gaskräften resultieren, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist dabei zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die beiden Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden. Die Drehlage des jeweiligen Exzenters wird über ein Wegeventil gesteuert, so dass jeder Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine jeweils ein Wegeventil, über welches das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit eingestellt wird, zugeordnet ist.
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Ein Wegeventil für die Steuerung einer Verstellvorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2013 103 685 A1 bekannt. Die Verstelleinrichtung weist einen in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordneten Exzenter mit einer exzentrischen Kolbenbolzenbohrung auf, wobei der Exzenter mit diametral verlaufenden Laschen versehen ist, an denen über Exzenterstangen Kolben angreifen. Druckräume, die zwischen den Kolben und im Pleuel ausgebildeten Führungszylindern vorgesehen sind, werden über Ölleitungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Motoröl aus einem Pleuellager versorgt. Neben der jeweiligen Ölleitung ist an jeden der beiden Druckräume eine weitere Fluidleitung angeschlossen, die zu einem als Umschaltventil bezeichneten Wegeventil führt.
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Das Wegeventil weist einen in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbaren Ventilschieber auf. Der Ventilschieber ist in einer durch ein Ventilgehäuse gebildeten, zylindrischen Gehäusebohrung längsverschiebbar angeordnet und über einen mit einem Steueranschluss verbundenen Steuerraum an einer ersten axial gerichteten Stirnfläche mit zwei unterschiedlichen hydraulischen Steuerdrücken beaufschlagbar. Des Weiteren umfasst das Schaltventil eine Rückstellfeder, mit der eine von der ersten axial gerichteten Stirnfläche abgewandte zweite axial gerichtete Stirnfläche des Ventilschiebers mit einer Rückstellkraft beaufschlagbar ist. Der Ventilschieber liegt außerdem, von der ersten Stirnfläche abgewandt, an einer Umschalteinrichtung an. Diese Umschalteinrichtung ist als SekuritTM-Mechanik ausgebildet, die auch als Kugelschreibermechanik bezeichnet wird. Über die Umschalteinrichtung können durch entsprechende Druckimpulse an der ersten axial gerichteten Stirnfläche des Ventilschiebers fortlaufend dessen Schaltstellungen geändert werden. Dabei ist der Ventilschieber mittels der Umschalteinrichtung jeweils in einer seiner beiden Schaltstellungen arretierbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wegeventil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf eine mechanische Umschalteinrichtung verzichtet werden kann und das bauraumsparend in die Umgebungskonstruktion integriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach soll innerhalb des Ventilschiebers ein Umschaltventil angeordnet sein, welches mit den Steuerdrücken beaufschlagt ist und druckabhängig in eine erste Stellung verstellbar ist, in welcher es eine Verbindung zwischen dem Steueranschluss und dem Steuerraum herstellt, und welches in eine zweite Stellung verstellbar ist, in welcher über dieses der Steuerraum mit einem Rücklauf in eine Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine verbunden ist.
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Die den Ventilschieber aufnehmende Gehäusebohrung soll dabei vorzugsweise unmittelbar im Pleuelschaft eines Pleuels der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen sein, wobei mit dieser die beiden Arbeitsanschlüsse und der Steueranschluss verbunden sind. Im Bereich seiner ersten Schaltstellung liegt der Ventilschieber mit seiner ersten Stirnfläche an einem axialen Anschlag der Gehäusebohrung an. In dieser Schaltstellung wird vorzugsweise der Arbeitsanschluss mit einem drucklosen Rücklauf in die Ölwanne verbunden, an dem ein aus den Gaskräften der Zylindereinheit resultierender Druck ansteht.
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Wird das in dem Ventilschieber angeordnete Umschaltventil aus dem Steueranschluss mit einem gegenüber einem Betriebsdruck pM erhöhten Steuerdruck pmax beaufschlagt, so führt das dazu, dass das Umschaltventil in seine erste Öffnungsstellung gelangt, in der es den Steueranschluss mit dem Steuerraum verbindet. Dadurch wird der Ventilschieber an seiner ersten Stirnseite, die vorzugsweise ballig ausgebildet ist, mit diesem erhöhten Steuerdruck pmax beaufschlagt und in Richtung seiner zweiten Schaltstellung verschoben. Ist diese zweite Schaltstellung erreicht, so wird der maximale Steuerdruck pmax wieder auf den normalen Betriebsdruck pM reduziert, wobei die Rückstellfeder derart ausgelegt ist, dass deren Federkraft kleiner ist als eine aus dem normalen Motoröldruck resultierende Kraft am Ventilschieber.
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In der zweiten Schaltstellung ist der dem Anschlag der Gehäusebohrung benachbarte Arbeitsanschluss, der über eine Ölrücklaufleitung mit einem aus den Massenkräften resultierenden Druck beaufschlagt ist, mit einem Rücklauf verbunden, so dass das Druckmittel abgeführt werden kann. In der zweiten Schaltstellung des Ventilschiebers kann sich das Umschaltventil in einer Sperrstellung befinden, d.h., es sperrt sowohl eine zum Steuerraum führende Längsbohrung als auch einen Rücklauf ab.
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Eine Umschaltung von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung erfolgt erst dann, wenn der Betriebsdruck pM signifikant unterschritten wird, was der Fall ist, wenn in der Steuerleitung ein Resetdruck pRes ansteht. Dann ist die von der Rückstellfeder aufgebrachte Federkraft größer als die aus dem Resetdruck pRes resultierende Kraft, so dass sich der Ventilschieber in Richtung seiner ersten Schaltstellung bewegt. Damit der Ventilschieber mit seiner ersten Stirnseite bis zur Anlage an den Anschlag bewegt werden kann, wird während dieser Längsbewegung des Ventilschiebers das Umschaltventil derart verstellt, dass es den Steuerraum mit dem Rücklauf verbindet. Das Umschaltventil weist somit insgesamt drei unterschiedliche Stellungen auf.
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Die Vorteile dieser Ausbildung des Wegeventils mit einem innerhalb von dessen Ventilschieber angeordneten Umschaltventil bestehen darin, dass auf eine mechanische Umschalteinrichtung verzichtet werden kann und sich die baulichen Abmessungen des Wegeventils erheblich reduzieren lassen. Gerade in Hubkolbenbrennkraftmaschinen von Personenkraftwagen, für die eine laufende Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eine erhebliche Rolle spielt, sind Abmessungen der Pleuel vorgesehen, die nur einen minimalen Bauraum für die Anordnung des Wegeventils bieten. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Lösung in kurzen Intervallen jeweils eine Resetfunktion durchgeführt, so dass die Stellungen sämtlicher Wegeventile und folglich sämtlicher Verstellvorrichtungen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine selbsttätig synchronisiert werden.
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Demgegenüber ist Bestandteil des Wegeventils nach der
DE 10 2013 103 685 A1 eine mechanische Umschalteinrichtung, die nach dem Prinzip der Kugelschreibermechanik, d.h., Sekurit
TM-Mechanik funktioniert. Dadurch erhöhen sich die Herstellkosten des Wegeventils. Außerdem ist eine Synchronisation der Stellungen mehrerer mit der Sekurit
TM-Mechanik versehener Wegeventile nur mit großem Aufwand oder mit funktionellen Nachteilen realisierbar. Nach dem Stand der Technik ist eine Resetfunktion vorgesehen, die bei niedriger Motordrehzahl durchgeführt wird. Durch eine hydraulische Verspannung sämtlicher in einer ersten Schaltstellung befindlicher Wegeventile sollen diese daran gehindert werden, eine Schaltbewegung auszuführen, wohingegen die übrigen Wegeventile betätigt werden. Zu diesem Zweck wird ein die Rückstellfeder aufnehmender mit Druckmittel befüllter Federraum an seinem Ablauf durch ein fliehkraftabhängig betätigtes Absperrventil versperrt. Die Schaffung einer entsprechenden Resetfunktion ist mit einem erheblichen Bauaufwand verbunden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das Umschaltventil einen in einer radial verlaufenden Aufnahmebohrung des Ventilschiebers angeordneten Ventilkolben aufweisen, der an einer ersten Stirnseite vom Steuerdruck und an einer von dieser abgewandten zweiten Stirnseite von einer Ventilfeder beaufschlagt wird, wobei der Ventilkolben in seiner über die Ventilfeder ausgefahrenen Stellung den Steuerraum mit dem Rücklauf verbindet bzw. bei einer Beaufschlagung mit einem maximalen Steuerdruck in eine Stellung bewegt wird, in der er die Aufnahmebohrung mit einer zum Steuerraum führenden Längsbohrung verbindet. Wie bereits dargelegt, kann der Ventilkolben darüber hinaus eine zwischen diesen beiden Stellungen liegende Sperrstellung einnehmen. Der Ventilkolben ist vorzugsweise als Hohlkolben ausgebildet und in einer radial verlaufenden Sackbohrung des Ventilschiebers angeordnet. Von dieser Sackbohrung zweigen die Längsbohrung und eine Rücklaufbohrung ab, wobei letztere in einen die Rückstellfeder aufnehmenden Raum einmündet. Die Stirnseite des Ventilkolbens und sein Hemd dienen jeweils im Zusammenwirken mit der Längsbohrung als Steuerkanten.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass in der Gehäusebohrung eine sich radial nach außen erstreckende Ausnehmung, vorzugsweise Ringnut, vorgesehen ist, in die in einer Endphase der Bewegung des Ventilschiebers von seiner zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung ein von der Ventilfeder abgewandter Endabschnitt des Ventilkolbens über die Ventilfeder einfederbar ist. Dabei kann die Gehäusebohrung durch die Anordnung der Ringnut insgesamt als Stufenbohrung ausgebildet sein, welche mit einem axialen Abstand zur Ringnut durch einen Boden verschlossen und in diesem Abstandsbereich einer der beiden Arbeitsanschlüsse angeschlossen ist. Daraus ergeben sich Abschnitte der Gehäusebohrung, in denen der Ventilschieber dichtend geführt ist, nämlich angrenzend an den Boden und angrenzend an die Ringnut an ihrem vom Boden abgewandten Ende. Die Ringnut ist mit dem Steueranschluss verbunden, während der Arbeitsanschluss, der mit einem aus den Massenkräften resultierenden Druck beaufschlagt wird, in einem zwischen der Ringnut und dem Boden verlaufenden Abschnitt der Gehäusebohrung vorgesehen ist.
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Während der Bewegung des Ventilschiebers aus seiner zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung wird der Ventilkolben des Umschaltventils mittels der Ventilfeder in die Ringnut bewegt und gelangt somit in eine Stellung, in der er den Steuerraum mit dem Rücklauf verbindet. Folglich kann das Druckmittel ungehindert aus dem Steuerraum ausströmen, so dass der Ventilschieber bis in seine erste Schaltstellung gelangt. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Stirnseite des Ventilkolbens als Kugelabschnitt ausgebildet ist. Mittels dieses Kugelabschnitts wird erreicht, dass der Ventilkolben an einem ausreichenden Flächenanteil seiner ersten Stirnseite mit dem Steuerdruck beaufschlagt werden kann. Außerdem wird dadurch in vorteilhafter Weise die Reibung zwischen dieser Stirnseite des Ventilkolbens und der Gehäusebohrung sowie einer Mantelfläche der Ringnut verringert.
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Weiterhin soll die Ringnut eine Breite aufweist, die zumindest dem Abstand zwischen einem Rand der ersten Stirnseite des Ventilschiebers und einer äußeren, am weitesten von dieser entfernt liegenden Begrenzung der Aufnahmebohrung entspricht. Dadurch soll erreicht werden, dass bei der Bewegung des Ventilschiebers aus seiner zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung der Endabschnitt des Ventilkolbens in die Ringnut einfedert bevor der Ventilschieber in einen Endabschnitt der Stufenbohrung gelangt, in welchem er dichtend geführt ist. Die rechtzeitige Öffnung des Umschaltventils in Richtung des Rücklaufs sorgt dafür, dass eine verzögerungsfreie Bewegung des Ventilschiebers erzielt wird.
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Um die vorteilhafte Funktion des Wegeventils zu erreichen, wird der Ventilschieber durch einen gegenüber einem Betriebsdruck erhöhten Steuerdruck aus seiner ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung verschoben, in welcher der maximale Steuerdruck auf einen normalen Motoröldruck reduziert wird, wobei die Federkraft der Rückstellfeder derart ausgelegt ist, dass sie kleiner ist als die aus dem Betriebsdruck resultierende Kraft am Ventilschieber. Zur Umschaltung des Ventilschiebers von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung wird dessen erste Stirnseite mit einem Resetdruck beaufschlagt, der geringer ist als der normale Betriebsdruck.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Schaltstellung des Ventilschiebers einer der Arbeitsanschlüsse mit dem Steueranschluss verbunden ist. Die Vorteile der Ölrückführung aus der entsprechenden mit dem Arbeitsanschluss verbundenen Ölrücklaufleitung in die Steuerleitung liegen darin, dass die für das Steuersystem vorgesehene 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.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass die auf die Stellkolben der Verstelleinrichtung übertragenen Triebwerkskräfte an diesen Druckkräfte von bis zu 90 kN ausüben, aus denen im jeweiligen Druckraum Drücke von bis zu 380 bar resultieren. Dieses Schmieröl, das zunächst über eine Ölzulaufleitung und ein geöffnetes Rückschlagventil in den Druckraum des Stellzylinders geströmt ist, wird bei einer entsprechenden Verstellung des Steuerschiebers wieder in die Ölgalerie zurückgeführt. Dabei handelt es sich also um ein System, bei dem das Schmieröl in das Ölversorgungsnetz rekuperiert wird. Die jeweilige Verbindung der Ölrücklaufleitungen über das Schaltventil mit der Ölgalerie weist außerdem den Vorteil auf, dass die Verstellgeschwindigkeiten der Stellkolben reduziert werden, da eine Rückstellung gegen den Systemdruck erfolgt. Dadurch werden in vorteilhafter Weise die Aufsetzgeschwindigkeiten der Stellkolben verringert.
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Schließlich soll das erfindungsgemäße Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis vorgesehen und zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar sein. Das Pleuel weist wenigstens eine hydraulische Stelleinrichtung zum Einstellen der effektiven Länge des Pleuels auf, die aus wenigstens einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge des Pleuels angeordneten Exzenter, wenigstens zwei mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Hydraulikammern, in denen jeweils ein Stellkolben verschiebbar gelagert ist, und wenigstens zwei Kolbenstangen, die jeweils einen Stellkolben mit dem Exzenter verbinden, besteht. Außerdem ist wenigstens ein Wegeventil nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben vorgesehen. Mit dem Pleuel sind die oben mit Bezug auf das Wegeventil genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche mit den abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels 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 das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einer Verstellvorrichtung, über welche an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, wobei in einem Pleuelschaft des Pleuels, mit Abstand zu einem Pleuellagerauge, eine Gehäusebohrung vorgesehen ist,
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2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wegeventil, dessen Ventilschieber für eine Anordnung in der Gehäusebohrung nach 1 vorgesehen ist und
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3a–e jeweils einen Längsschnitt durch das Wegeventil nach der 2, wobei dieses sich in seinen unterschiedlichen Schaltstellung sowie im Wechsel von einer Schaltstellung in die andere befindet, sowie jeweils anhand eines Druck-Zeitdiagramms die entsprechenden Druckverhältnisse in einem Steueranschluss des Wegeventils.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem zum Teil als Pleuelschaft 2a ausgebildeten Pleueloberteil 2 und einem Pleuelunterteil 3 besteht. Das Pleueloberteil 2 und das Pleuelunterteil 3 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 4, das eine Längsmittelachse 4a aufweist und über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 2 mit einem Pleuelauge 5 versehen, in welchem über ein als Exzenter 6 ausgebildetes Verstellelement 7 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 8 angeordnet ist. Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 8 ist ein Arbeitskolben 9 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 7 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 6 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen 8 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 6 weist diametral verlaufende Laschen 10 und 11 auf, die jeweils über Kolbenstangen 12 und 13 mit einfachwirkenden Stellkolben 14 und 15 verbunden sind. Die Stellkolben 14 und 15 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 6 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenters 6 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 6 übertragenen Kräfte bewirkt werden würde, vermieden werden.
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Die Stellkolben 14 und 15 sind in Stützzylindern 16 und 17 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 18 und 19, in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 4 angeordneten Pleuellager 20 über Ölzulaufleitungen 21 und 22 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 18 und 19 eine Ölrücklaufleitung 23 bzw. 24 aus, die, wie aus der 1 hervorgeht, beide in eine Gehäusebohrung 25 für die Aufnahme eines im Zusammenhang mit den weiteren Figuren beschriebenen Wegeventils einmünden. Diese Gehäusebohrung 25 verläuft innerhalb des Pleuelschafts 2a, quer zu diesem, also parallel zur Längsmittelachse 4a des Pleuellagerauges 4. Von dem Pleuellager 20 führt außerdem eine Fluidleitung 26 zu der Ventilaufnahmebohrung 25. Die Bauelemente 6 und 7 sowie 10 bis 24 bilden eine Verstellvorrichtung 7a, die jeweils jeder der Zylindereinheiten der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist.
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In der 2 ist mit 27 ein Wegeventil für die Steuerung des zuvor erläuterten Verstellelements 7 bezeichnet, das in der in 1 gezeigten Gehäusebohrung 25 angeordnet ist. In der 2 ist eine Teilansicht des Pleuelschafts 2a mit der Gehäusebohrung 25 und dem Wegeventil 27 dargestellt, die erkennen lässt, dass die Gehäusebohrung 25 unmittelbar im Pleuelschaft 2a ausgebildet ist. Dadurch können die radialen und axialen Abmessungen des Wegeventils 27 deutlich reduziert werden gegenüber einer Ausführung des Wegeventils 27, bei der dieses ein separates Außengehäuse aufweisen würde.
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Die Gehäusebohrung 25 ist als Sackbohrung ausgebildet und weist somit einen hohlzylindrischen Führungsabschnitt 28 und einen kreisförmigen Boden 29 auf. Dabei befindet sich, beabstandet zum Boden 29, im Führungsabschnitt 28 eine radiale Ausnehmung 30, die als umlaufende Ringnut 31 ausgeführt ist, wodurch die Gehäusebohrung 25 insgesamt als Stufenbohrung gestaltet ist. Weiterhin weist der Führungsabschnitt 28 im Bereich seines vom Boden 29 abgewandten Endes an seiner Innenmantelfläche eine umlaufende Nut 32 auf, die einen Seegering 33 aufnimmt, wobei an diesem ein Bodenblech 34 abgestützt ist. An diesem Bodenblech 34 liegt mit ihrem entsprechenden Ende eine Rückstellfeder 35 eines Ventilschiebers 36 an. Ferner ist in dem Bodenblech 34 eine Rücklaufbohrung 37 vorgesehen, über die Druckmittel aus einem die Rückstellfeder 35 aufnehmenden Federraum 35a drucklos in eine Ölwanne 38 der Hubkolbenbrennkraftmaschine strömen kann.
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Der Ventilschieber 36 ist mit einem hohlzylindrisch ausgebildeten Kolbenhemd 39, das eine Steuerkante 39a bildet, und einem Kolbenboden 40 versehen, wobei der Kolbenboden 40 eine zur Rückstellfeder 35 gerichtete erste Stirnfläche 41 und eine in Richtung des Bodens 29 der Gehäusebohrung 25 weisende zweite Stirnfläche 42 aufweist. Die zweite Stirnfläche 42 begrenzt gemeinsam mit dem Boden 29 und dem Führungsabschnitt 28 einen Steuerraum 43 und ist ballig ausgebildet. Ein äußerer Rand der zweiten Stirnfläche 42 dient außerdem als Steuerkante 44, die mit einem ersten Arbeitsanschluss 45 zusammenwirkt. Die Ringnut 31 ist mit einem Steuerdruck aus einem Steueranschluss 46 beaufschlagbar, wobei der Steuerdruck ein Betriebsdruck pM, ein gegenüber diesem erhöhter Steuerdruck pmax oder ein gegenüber diesem reduzierter Resetdruck pRes sein kann und diese unterschiedlichen Steuerdrücke über eine in ihrem Fördervolumen änderbare Schmierölpumpe 48 geschaffen werden. Der Steueranschluss 46 ist dabei mit der bereits im Zusammenhang mit der 1 erwähnten, im Pleuelschaft 2a vorgesehenen Steuerleitung 26 verbunden, die von einer Ölgalerie 49 der Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgeht. Außerdem ist in dem Pleuelschaft 2a ein in das Innere der Gehäusebohrung 25 führender zweiter Arbeitsanschluss 47 vorgesehen.
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Wie weiterhin aus der 2 hervorgeht, ist der erste Arbeitsanschluss 45 in der aus 1 hervorgehenden Weise über die Ölrücklaufleitung 23 mit dem Druckraum 18 des Stützzylinders 16 verbunden, während der Druckraum 19 des weiteren Stützzylinders 17 über die Ölrücklaufleitung 24 an den zweiten Arbeitsanschluss 47 angeschlossen ist. Die Verstellpumpe 48 fördert das als Druckmittel dienende Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die symbolisch als Rechteck dargestellte Ölgalerie 49, über die auch das als Gleitlager ausgebildete Pleuellager 20 (siehe 1) mit Schmieröl versorgt wird. Von der Ölgalerie 49 zweigen die beiden Ölzulaufleitungen 21 und 22 sowie die Steuerleitung 26 ab, in welchen jeweils ein Rückschlagventil 21a bzw. 22a angeordnet ist.
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Der Ventilschieber 36 nimmt ein Umschaltventil 50 auf. Zu diesem Zweck verläuft radial innerhalb des Kolbenbodens 40 eine als Sackloch ausgebildete Aufnahmebohrung 51, die einen zum Teil hohlzylindrisch ausgeführten, längsverschiebbaren Ventilkolben 52 aufnimmt. Dieser Ventilkolben 52 wird an einer ersten Stirnseite 53 mit dem in der Ringnut 31 herrschenden Steuerdruck beaufschlagt und stützt sich mit einer zweiten Stirnseite 54 an einer Ventilfeder 55 ab, wobei das von dem Ventilkolben 52 abgewandte Ende der Ventilfeder 55 an einem Boden 56 der Aufnahmebohrung 51 anliegt.
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Von der der Aufnahmebohrung 51 zweigt, dem Boden 56 benachbart, eine Ablaufbohrung 57 ab, die in den die Rückstellfeder 35 aufnehmenden Federraum 35a mündet. In axialer Richtung der Aufnahmebohrung 51, versetzt zu dieser Ablaufbohrung 57, ist eine Längsbohrung 58 vorgesehen, die je nach der Stellung des Ventilkobens 52 das Innere der Aufnahmebohrung 51 mit dem Steuerraum 43 verbindet oder diese Verbindung sperrt. Nach der 2 nimmt der Ventilkolben 52 eine Position ein, in der dieser in die Ringnut 31 eingefedert ist und mit einer unteren Steuerkante 59 die Verbindung zwischen der Längsbohrung 58 und der Aufnahmebohrung 51 herstellt. Im Steuerraum 43 vorhandenes Druckmittel kann somit über die Längsbohrung 58, die Aufnahmebohrung 51, die Ablaufbohrung 57, den Federraum 35a und die Rücklaufbohrung 37 in die Ölwanne 38 strömen. Die erste Stirnseite 53 des Ventilkolbens 52, mit der dieser gemäß der 2 am Nutgrund der Ringnut 31 anliegt, ist als halbkugelförmiger Kugelkopf 60 ausgebildet, der eine Steuerkante 61 aufweist. Die Ringnut 31 weist eine Breite a auf. Auf diese ist der Abstand der Aufnahmebohrung 51 von der Steuerkante 44, der mit b bezeichnet ist, abgestimmt. Dabei soll die Breite a zumindest dem Abstand b entsprechen. Das Maß b entspricht dem Abstand zwischen der Steuerkante 44 des Ventilschiebers 36 und einer äußeren, am weitesten von dieser entfernt liegenden Begrenzung der Aufnahmebohrung 51. Dadurch wird erreicht, dass der Ventilkolben 52 bei der Bewegung des Ventilschiebers 36 aus der zweiten in die erste Schaltstellung in die Ringnut einfedert bevor die Steuerkante 44 den Bereich der Ringnut 31 verlässt, so dass das Umschaltventil 50 rechtzeitig das Druckmittel aus dem Steuerraum 43 absteuert.
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In der 2, die mit der 3a übereinstimmt, befindet sich das Wegeventil 27 in seiner ersten Schaltstellung, in der der Ventilschieber 36 mittels seiner Steuerkante 39a den zweiten Arbeitsanschluss 47 freigibt, so dass das Druckmittel aus dem Druckraum 18 über die Ölrücklaufleitung 23, den Arbeitsanschluss 47, den Federraum 35a und die Rücklaufbohrung in die Ölwanne abströmen kann. Wie aus dem entsprechenden Druck-Zeitdiagramm der 3a hervorgeht (siehe die durch Pfeile gekennzeichneten, über die Zeit ablesbaren Drücke) steht im Steueranschluss 46 ein Resetdruck pRes oder Betriebsdruck pM an, so das sowohl das Umschaltventil 50 als auch der Ventilschieber 36 in ihren Stellungen verbleiben.
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Wird, wie aus der 3b hervorgeht, der Steuerdruck auf den maximalen Wert pmax angehoben, so wirkt dieser erhöhte Steuerdruck auf die erste Stirnseite 53 des Ventilkolbens 52 und verschiebt diesen gegen die Kraft der Ventilfeder 55. Dadurch wird über die Steuerkante 59 eine Verbindung zwischen der dem Inneren der Ringnut 31 und dem Steuerraum 43 herstellt, so dass das Druckmittel aus dem Steueranschluss 46 in den Steuerraum 43 gelangt und der Ventilschieber 36 in seine zweite Schaltstellung verschoben wird.
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Während dieser Längsbewegung des Ventilschiebers 36 nimmt die Aufnahmebohrung 51 den Ventilkolben 52 vollständig auf, und der erste Arbeitsanschluss 45 wird mittels der Steuerkante 44 gegenüber dem Steueranschluss 46 geöffnet. Am Ende dieser Längsbewegung befindet sich der Ventilschieber 36 in der in der 3c dargestellten zweiten Schaltstellung. Wenn diese erreicht ist, wird der Steuerdruck wieder auf das Niveau des Betriebsdrucks pM reduziert, was dazu führt, dass der Ventilkolben 52 die in der 3d einnimmt. Da die aus dem Betriebsdruck pM resultierende Kraft am Ventilschieber 36 größer ist als die Kraft der Rückstellfeder 35, verbleibt der Ventilschieber in dieser zweiten Schaltstellung. Dabei wird allerdings der Ventilkolben 52 durch die Ventilfeder 55 soweit verschoben, bis dessen erste halbkugelförmige erste Stirnseite 53 an der Innenmantelfläche der Gehäusebohrung 25 anliegt.
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Wird nun der Steuerdruck auf das Niveau des Resetdruckes pRes reduziert, führt das zur Längsverschiebung des Ventilschiebers 36 in Richtung seiner ersten Schaltstellung, wobei in der letzten Phase dieser Bewegung der an der Innenmantelfläche der Gehäusebohrung abgestützte Ventilkolben 52 in die Ringnut 31 einfedert. Das führt dazu, dass der Ventilkolben 52 über seine Steuerkante 59 eine Verbindung zwischen der Längsbohrung 58 und der Ablaufbohrung 57 herstellt. Das noch im Steuerraum 43 befindliche Druckmittel kann somit in den Federraum 35a abfließen, so dass der Ventilschieber 36 vollständig mit seiner ersten Stirnfläche bis zur Anlage an den Boden 29 der Gehäusebohrung bewegt wird. Der Resetdruck pRes, der an sämtlichen Wegeventilen der Hubkolbenbrennkraftmaschine angelegt wird, sorgt somit dafür, dass diese ohne Ausnahme in die erste Schaltstellung verschoben werden. Folglich findet bei jedem dieser Schaltvorgänge eine Synchronisation der Stellung sämtlicher Wegeventile statt.
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Wenn in einigen Verstellvorrichtungen und somit in den diesen zugeordneten Wegeventilen Fehlschaltungen aufgetreten sind, so werden diese in vorteilhafter Weise durch die Betätigung des Ventilschiebers mit dem Resetdruck beseitigt. Anderenfalls würden auftretende Schaltfehler dazu führen, dass gleichzeitig bestimmte Zylindereinheiten mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis und andere Zylindereinheiten mit einem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben werden. Wie der Stand der Technik zeigt, ist es schwierig, in die Abfolge der Schaltvorgänge einzugreifen, um die Stellungen der einzelnen Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses zu synchronisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleueloberteil
- 2a
- Pleuelschaft
- 3
- Pleuelunterteil
- 4
- Pleuellagerauge
- 4a
- Längsmittelachse von 4
- 5
- Pleuelauge
- 6
- Exzenter
- 7
- Verstellelement
- 7a
- Verstellvorrichtung
- 8
- Kolbenbolzen
- 9
- Arbeitskolben
- 10
- Lasche
- 11
- Lasche
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Stellkolben
- 15
- Stellkolben
- 16
- Stützzylinder
- 17
- Stützzylinder
- 18
- Druckraum
- 19
- Druckraum
- 20
- Pleuellager
- 21
- Ölzulaufleitung
- 21a
- Rückschlagventil
- 22
- Ölzulaufleitung
- 22a
- Rückschlagventil
- 23
- Ölrücklaufleitung
- 24
- Ölrücklaufleitung
- 25
- Gehäusebohrung
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Wegeventil
- 28
- Führungsabschnitt von 25
- 29
- Boden von 25
- 30
- radiale Ausnehmung
- 31
- Ringnut
- 32
- Nut
- 33
- Seegering
- 34
- Bodenblech
- 35
- Rückstellfeder
- 35a
- Federraum
- 36
- Ventilschieber
- 37
- Rücklaufbohrung
- 38
- Ölwanne
- 39
- Kolbenhemd von 36
- 39a
- Steuerkante
- 40
- Kolbenboden von 36
- 41
- erste Stirnfläche von 36
- 42
- zweite Stirnfläche von 36
- 43
- Steuerraum
- 44
- Steuerkante
- 45
- erster Arbeitsanschluss
- 46
- Steueranschluss
- 47
- zweiter Arbeitsanschluss
- 48
- Verstellpumpe
- 49
- Ölgalerie
- 50
- Umschaltventil
- 51
- Aufnahmebohrung
- 52
- Ventilkolben von 50
- 53
- erste Stirnseite von 52
- 54
- zweite Stirnseite von 52
- 55
- Ventilfeder
- 56
- Boden von 51
- 57
- Ablaufbohrung
- 58
- Längsbohrung
- 59
- Steuerkante von 52
- 60
- Kugelkopf
- 61
- Steuerkante
- a
- Breite der Ringnut 31
- b
- Abstand zwischen Steuerkante 44 und Aufnahmebohrung 51
- pM
- Betriebsdruck
- pmax
- erhöhter Steuerdruck
- pRes
- Resetdruck
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013103685 A1 [0008, 0018]
