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Die Erfindung betrifft einen hydraulisch längenveränderbaren Pleuel eines Kolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei ein Ölzufluss zum Pleuel mittels einer separaten Ölleitung bereitgestellt wird.
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In einem Hubkolbenmotor wird üblicherweise während eines Ladetaktes ein Luft/Kraftstoffgemisch in den Zylinder geladen und in einem Kompressionstakt durch den Kolben komprimiert, bevor das komprimiertes Gemisch entweder durch einen Zündfunken einer Zündkerze oder selbsttätig gezündet wird und infolge der derart initiierten Verbrennung den Kolben wieder in Gegenrichtung treibt. Der zwischen den sogenannten oberen und unteren Totpunkten gelegene veränderliche Teil des Volumens der von Kolben und Zylinder gebildeten Brennkammer wird als Hubraum bezeichnet. Das Verhältnis des maximalen Volumens der Brennkammer zu deren minimalem Volumen kann als Kompressionsverhältnis bezeichnet werden.
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Der sich hin und her bewegende Kolben ist über einen Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden, welches die translatorische Bewegung des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle überträgt. Die Kurbelwelle treibt dann beispielsweise über ein Getriebe und andere zwischengeschaltete Komponenten die Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs.
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Je nach Last des Motors wird eine entsprechend benötigte Menge Kraftstoff in den Zylinder geladen. Für unterschiedliche Lasten ergeben sich jedoch auch unterschiedliche optimale Kompressionsverhältnisse, so dass es wünschenswert ist, die Lage der oberen und unteren Totpunkte veränderlich zu gestalten. Dies kann durch längenveränderbare Pleuel erreicht werden.
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Aus der Druckschrift
US 4 195 601 A ist ein längenveränderbarer Pleuel bekannt, bei dem Öl durch ein Lager der Kurbelwelle in einen Kanal innerhalb der Kurbelwelle geleitet wird. Das Öl strömt aus der Kurbelwelle durch ein weiteres Lager in den längenveränderbaren Pleuel, wo es in eine komplizierte Anordnung von Kammern gelangt und die gewünschte Ausdehnung des Pleuels bewirkt. Nachteilig ist neben dem komplizierten Aufbau jedoch unter anderem die Notwendigkeit einer Druckregelung des zugeführten Öls, über die die Ausdehnung des Pleuels gesteuert wird.
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Es ist möglich, einen Ölzufluss eines längenveränderbaren Pleuels mit vereinfachtem Aufbau in dem Pleuel mittels eines Öleinlasses zu steuern, wobei über die Menge des in eine Druckkammer fließenden Öls die Länge des Pleuels gesteuert werden kann. Dabei wird die in die Druckkammer fließenden Ölmenge mit einem im Pleuel eingebauten Steuerventil gesteuert.
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In der Druckschrift
WO 2015 / 055 582 A2 wird eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Pleuel offenbart, das einen Hydraulikkolben und eine in dem Hydraulikkolben entlang einer Längsachse des Pleuels verschiebbar angeordnete Hydraulikstange aufweist. Innerhalb des Hydraulikkolbens ist eine Druckkammer ausgebildet, die mit einer Öleinlasseinrichtung und einer Ölauslasseinrichtung verbunden ist. In der Druckschrift
DE 10 2016 208 209 A1 wird eine Öleinlasseinrichtung einer Pleuelstange offenbart, die eine durch ein Steuerventil trennbare Pleuelölleitung darstellt, wobei diese von der Ölgalerie der Brennkraftmaschine trennbar ist. In der Druckschrift
US 2015 / 0 159 550 A1 wird ein Steuerventil außerhalb einer Pleuelstange offenbart. Weitere Dokumente des Stands der Technik mit Bezug zu längenveränderlichen Pleuelstangen in Brennkraftmaschinen sind die Druckschriften
EP 2 184 496 A1 und
DE 10 2015 001 066 B3 .
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Wenn die Ölversorgung des längenveränderbaren Pleuels jedoch an die Ölversorgung von Lagern einer Kurbelwelle im Umfange der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, wird durch Schalten des Ölflusses zum Pleuel der Ölfluss verändert, so dass ein der Lagerdruck beeinflusst wird, wodurch es zu Zuständen mit mangelhafter Lagerschmierung kommen kann.
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Es besteht damit die Aufgabe, den Ölfluss im Bereich des längenveränderbaren Pleuels besser zu steuern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, der Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, die ein Pleuel umfasst, das einen Hydraulikkolben und eine in dem Hydraulikkolben entlang einer Längsachse des Pleuels verschiebbar angeordnete Hydraulikstange aufweist, wobei innerhalb des Hydraulikkolbens eine Druckkammer ausgebildet ist, und das weiterhin eine mit der Druckkammer fluid verbundene Öleinlasseinrichtung mit einem darin angeordneten Rückschlagventil sowie eine mit der Druckkammer fluid verbundene, einen Ölabfluss aus der Druckkammer an eine Umgebung des Pleuels ermöglichende Ölauslasseinrichtung aufweist, wobei die Öleinlasseinrichtung eine separate, von weiteren zum Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Schmierung von Kurbelwellenlagern vorgesehenen Ölleitungen trennbare Pleuelölleitung ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft, weil sie eine konstante Versorgung des längenveränderbaren Pleuels mit Öl über eine separat schaltbare Ölleitung gewährleistet, ohne die Ölversorgung zur Schmierung der Lager nachteilig zu beeinflussen. Die separat schaltbare Ölleitung ist im Grunde ein zusätzlicher, von der Hauptölgalerie abgehender, schaltbarer Ölkanal. Das Öl wird weiter durch die Seitenanlauffläche der Hauptlager über eine umlaufende Nut in die Kurbelwelle weitergeleitet. Von dort aus gelangt das Öl durch eine in der Kurbelwelle befindliche Verbindungsbohrung zur Seitenanlauffläche der Pleuellager ebenfalls wieder über eine umlaufende Nut. Im Pleuel selbst befindet sich eine Bohrung, die das Öl in die Pleuelstange weiterleitet. Um eine ausreichende Dichtheit der Seitenanlaufflächen zur Erreichen, können verschiedene konstruktive Lösungen angewandt werden wie z. B. umlaufende Dichtungen oder eine Verringerung des Axiallagerspiels. Die technischen Details einer separat schaltbaren Ölleitung sind dabei in der indischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
201641014386 ausgeführt, die als explizit in diese Beschreibung aufgenommen gilt.
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Der Ölzufluss wird in der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Öleinlasseinrichtung gesteuert, während der Ölabfluss aus der Druckkammer durch den Ölauslass weitgehend konstant bleibt. Fließt im Durchschnitt mehr Öl in die Druckkammer als durch den Ölauslass abfließen kann, steigt in der Druckkammer die Masse des Öls, wodurch der Pleuel verlängert wird. Wird der Ölzufluss durch das Ventil hingegen ausreichend reduziert, verlässt mehr Öl die Druckkammer durch den Ölauslass als in sie hineinströmt, wodurch die Masse des Öls in der Druckkammer abnimmt und der Pleuel verkürzt wird. Das Rückschlagventil bewirkt, dass sich die Druckkammer selbsttätig aufgrund der in einem Arbeitszyklus des Hubkolbenmotors auf den Pleuel wirkenden Kräfte entlang der Längsachse des Pleuels mit Öl füllt. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens ergibt sich in einem gewissen Kurbelwellenwinkelbereich eine Zugkraft, wodurch Öl in die Druckkammer gesaugt wird, das aufgrund des Rückschlagventils nicht wieder zurück in die Zuleitung für das Öl strömen kann. Der fortlaufende Durchfluss von Öl durch den Pleuel trägt zu einer Kühlung des Pleuels bei und verhindert eine Verkokung des Öls im Pleuel.
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Die Pleuelölleitung der erfindungsgemäßen Anordnung weist mindestens ein Steuerventil auf. Die Öleinlasseinrichtung wird hier auch als Pleuelölleitung bezeichnet, so dass die Begriffe hier auch synonym verwendet werden. Das Steuerventil dient zum Steuern des Ölflusses in die Druckkammer des Pleuels, wodurch die Position der Pleuelstange und damit die Länge des Pleuels gesteuert werden kann.
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Das Steuerventil ist außerhalb des Pleuels angeordnet und ausgebildet, einen Ölzufluss in die Druckkammer einzustellen. Der Pleuel kann dabei an einem Bauteil im Bereich der Brennkraftmaschine angeordnet sein. Vorteilhafterweise wird durch die erfindungsgemäße Anordnung weniger Platz im Pleuel benötigt, da im Vergleich zu einem herkömmlichen längenveränderbaren Pleuel keine zum Steuern des Steuerventils notwendige elektrische oder Ölleitung im Pleuel bereitgestellt werden muss. Durch das Anordnen des Steuerventils außerhalb des Pleuels und der dadurch nicht benötigten Leitungen ist das Gewicht des Pleuels auch vergleichsweise geringer, wodurch auch weniger Massenkräfte am Pleuel wirken.
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Das Steuerventil ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Ölzufluss in einer ersten Ventilstellung zu unterbinden und den Ölzufluss in einer zweiten Ventilstellung zu ermöglichen. Ein solches Ventil lässt sich einfach ausführen und ist insbesondere in Verbindung mit dem bereits erläuterten Rückschlagventil sinnvoll. Die beiden genannten Ventilstellungen entsprechen dann einer jeweiligen für einen einziehenden beziehungsweise eingezogenen und für einen ausfahrenden beziehungsweise ausgefahrenen Pleuelzustand.
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Vorzugsweise ist das Steuerventil ein Zweiwegeventil, besonders in einer 2/2-Anordnung, also ein Ventil mit zwei Anschlüssen und zwei unterschiedlichen Stellungen. Das Ventil kann beispielsweise magnetisch, elektrisch oder hydraulisch gesteuert werden, wofür sich insbesondere in der letztgenannten Alternative eine entsprechende Steuerleitung durch die Kurbelwelle anbietet. Bevorzugt wird das Ventil hydraulisch geschaltet.
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Die Hydraulikstange der erfindungsgemäßen Anordnung weist eine Druckfläche auf, die in Länge und Breite annähernd den entsprechenden Dimensionen der Druckkammer entspricht und die Druckkammer in Bezug auf die Längsrichtung der Hydraulikstange in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer unterteilt, wobei die Öleinlasseinrichtung in die erste Teilkammer mündet und die erste Teilkammer mittels mindestens einer Öldurchlasseinrichtung mit der zweiten Teilkammer fluid verbunden ist. Vorteilhafterweise kann das Öl also durch die Öleinlasseinrichtung zuerst in die erste Teilkammer strömen, dabei die erste Teilkammer durch Verschieben der Druckfläche vergrößern und dadurch den Pleuel verlängern.
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Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Anordnung eine erste Öldurchlasseinrichtung durch eine erste spaltartige Öffnung zwischen der Druckfläche und einer Wandung der Druckkammer gebildet wird. Die spaltartige Öffnung ermöglicht einen Ölfluss aus der ersten Teilkammer in die zweite Teilkammer als Leckstrom.
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Ebenfalls bevorzugt wird eine zweite Öldurchlasseinrichtung durch eine erste Bohrung durch die Druckfläche gebildet. Durch die Bohrung kann die Abflussgeschwindigkeit von Öl erhöht werden, was entsprechend die Geschwindigkeit, mit der sich der Pleuel verkürzt, erhöht, wenn der Ölzufluss in die Druckkammer durch das Ventil reduziert oder unterbunden wurde. Diese Geschwindigkeit wird unter anderem durch den Durchmesser der Bohrung bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine Überlaufkammer auf, die mit der Druckkammer fluid verbunden und zwischen der Druckkammer und der Ölauslasseinrichtung angeordnet ist. Es ist möglich, dass die Überlaufkammer durchflussmengenbegrenzt ist. Bei einem Verschieben des Pleuels in Richtung der ersten Teilkammer kann Öl aus der Überlaufkammer in die zweite Teilkammer fließen. Die Überlaufkammer besitzt bei entsprechender Auslegung den weiteren Vorteil, eines über mehrere Stufen kontinuierlichen Druckabfalls von dem in der Druckkammer herrschenden Druck hinab zu dem Druck, der in der Umgebung des Pleuels herrscht. Es können hierbei auch mehrere Stufen von Überlaufkammern vorgesehen sein, um einen stufenweisen Druckabbau zu verwirklichen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Anordnung mit einem längenveränderbaren Pleuel.
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem längenveränderbaren Pleuel.
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In 1 ist eine zum Stand der Technik gehörende Anordnung 1 mit einem längenveränderbaren Pleuel dargestellt. Die Anordnung 1 umfasst einen Zylinder mit einem Zylinderkopf 3 und einen einem in dem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben 4. Der Zylinderkopf 3 umfasst herkömmlicherweise bekannten Vorrichtungen wie Einlass- und Auslassventilen und gegebenenfalls einer oder mehreren Zündkerzen (nicht gezeigt). Der Kolben 4 weist einen Kolbenbolzen 6 auf, der in der Zeichnung in die Tiefe gehend dargestellt und daher nur geschnitten zu sehen ist. An dem Kolbenbolzen 6 ist ein Pleuel 5 befestigt, das an seinem entgegengesetzten Ende mit einer Kurbelwelle 7 der Brennkraftmaschine verbunden ist.
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Der Pleuel 5 umfasst einen Hydraulikkolben 9 und eine darin angeordnete Hydraulikstange 8. Im gezeigten Beispiel ist die Hydraulikstange 8 unmittelbar mit dem Kolbenbolzen 6 und der Hydraulikkolben 9 unmittelbar mit der Kurbelwelle 7 verbunden. Es sind jedoch Konfigurationen vorstellbar, bei denen die Hydraulikstange 8 unten und der Hydraulikkolben 9 oben angeordnet sind.
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Der Hydraulikkolben 9 weist eine Öleinlasseinrichtung 13 auf, auch als Pleuelölleitung 13 bezeichnet, die vorliegend über einen Ölkanal in der Kurbelwelle 7 mit Öl versorgt wird. Der Druck, mit dem das Öl zugeführt wird, kann beispielsweise zwischen 3 und 7 bar betragen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Steuerventil 11 vorgesehen, das vorliegend als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Es sind jedoch auch Ausführungen der Erfindung ohne ein solches Ventil in dem Pleuel 5 möglich. Das 2/2-Wegeventil erlaubt abhängig von seinem Schaltzustand einen Ölfluss durch die Pleuelölzuleitung 13 oder unterbindet einen solchen.
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In einer erfindungsgemäßen Anordnung 1b gemäß der Darstellung von 2 ist die Pleuelölleitung 13 separat von weiteren, zur Ölversorgung der Lager der Kurbelwelle vorgesehenen Ölleitungen 25 angeordnet. Dabei sind von der Lagerschmierung separat schaltbare Ölleitungen dem Fachmann bekannt. Die Pleuelölleitung 13 kann damit unabhängig von den anderen Ölleitungen geschaltet werden. Das Steuerventil 11 ist in der Anordnung 1 außerhalb des Pleuels 5 angeordnet. Das Steuerventil 11 ist der Anordnung 1b in einem Bereich angeordnet, der relativ zur Karosserie eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Anordnung 1b nicht bewegt wird. Mit anderen Worten befindet sich in der Anordnung 1 b ein Steuerventil in der Pleuelölleitung 13, ist aber nicht, wie in Anordnung 1a, innerhalb des Pleuels 5 angeordnet, sondern außerhalb des Pleuels 5.
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Im Bereich des Pleuels 5 ist außerdem ein Rückschlagventil 10 angeordnet. Das Rückschlagventil 10 lässt einen Ölfluss in dem Pleuel 5 zu und unterbindet einen Fluss von Öl in Richtung des Steuerventils 11. Das Rückschlagventil 10 kann beispielsweise durch eine Feder mit einer Vorspannkraft ausgestattet sein.
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Optional kann außerdem in der Pleuelölleitung 13 eine Drossel oder Blende 12 vorgesehen sein, die den Ölzufluss durchflussmengenbegrenzt. Eine solche Durchflussmengenbegrenzung beeinflusst unmittelbar die Geschwindigkeit, mit der sich der Pleuel 5 bei entsprechender Stellung des Steuerventils 11 verlängert.
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Das derart zugeleitete Öl strömt in eine Druckkammer, die durch Druckfläche 23 der Hydraulikstange 8 in einen erste Teilkammer 14 und eine zweite Teilkammer 15 unterteilt ist. Die Pleuelölleitung 13 mündet dabei in die erste Teilkammer 14 und drückt die Hydraulikstange 8 in die Richtung des Kolbenbolzens 6. Dadurch wird eine Verlängerung des Pleuels 5 bewirkt. Das Öl kann aus der ersten Teilkammer 14 durch eine erste spaltartige Öffnung 17 zwischen der Druckfläche 23 und einer Wandung der Druckkammer und/oder eine erste Bohrung 18 in die zweite Teilkammer 15 strömen.
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Die zweite Teilkammer 15 ist in ähnlicher Weise über eine weitere, zweite spaltartige Öffnung 20 und/oder eine weitere, zweite Bohrung 19 mit einer Überlaufkammer 16 verbunden, in die das Öl steigt, nachdem die Druckkammer vollständig gefüllt ist. Das Öl kann die Überlaufkammer 16 über eine weitere, dritte spaltartige Öffnung 21 oder einen Überlauf bzw. eine Ölauslasseinrichtung 22 in die Umgebung verlassen.
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Das Rückschlagventil 10 bewirkt, dass während einer Phase der Kurbelwellenumdrehung, in der eine Zugkraft auf den Pleuel 5 wirkt, Öl von der Zuleitung in der Kurbelwelle durch das Rückschlagventil 10 in die Druckkammer strömen kann, ein Rückfluss des Öls aus der Druckkammer zur Kurbelwelle während einer anderen Phase der Kurbelwellenumdrehung, in der eine Druckkraft auf den Pleuel 5 wirkt, jedoch unterbunden wird. Auf diese Weise kann sich der Pleuel 5 bei durchlässig geschalteten Steuerventil 11 schrittweise über mehrere Kurbelwellenumdrehungen verlängern. Wird das Steuerventil 11 hingegen undurchlässig geschaltet, kann zu keiner Phase der Kurbelwellenumdrehung Öl in den Pleuel gelangen, so dass das Öl sukzessive die Druckkammer unter der Einwirkung der erwähnten Druckkraft auf den Pleuel 5 über die Überlaufkammer 16 in die Umgebung verlassen wird. Die Überlaufkammer 16 bewirkt dabei, dass darin befindliches Öl in die Druckkammer zurückgesaugt werden kann, falls sich das Rückschlagventil 10 erst mit einer gewissen Verzögerung wieder schließt, so dass keine kompressible Luft in die Druckkammer gelangen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Kolben
- 5
- Pleuel
- 6
- Kolbenbolzen
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Hydraulikstange
- 9
- Hydraulikkolben
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Ventil
- 12
- Drossel
- 13
- Öleinlasseinrichtung
- 14
- erste Teilkammer
- 15
- zweite Teilkammer
- 16
- Überlaufkammer
- 17
- erste spaltartige Öffnung
- 18
- erste Bohrung
- 19
- zweite Bohrung
- 20
- zweite spaltartige Öffnung
- 21
- dritte spaltartige Öffnung
- 22
- Ölauslasseinrichtung
- 23
- Druckfläche
- 24
- Kurbelwelle
- 25
- Ölleitungen der Kurbelwellenlager
