DE102017100943A1 - Switching valve for controlling a fluid flow - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil (20) zum Steuern eines Fluidstromes, insbesondere zur Längenverstellung einer Pleuelstange (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuerausnehmung (21), in welcher ein Steuerkolben (22) zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei die Steuerausnehmung (21) in ihrer Mantelfläche (23) zumindest eine Primärsteueröffnung (24a, 24b) aufweist, welche in einer Endstellung des Steuerkolbens (22) von einer Primärsteuerfläche (24a, 24b) des Steuerkolbens (22) verschlossen und in einer anderen Endstellung geöffnet ist. Um auf möglichst einfache Weise den Umschaltvorgang für ein Fluid zu steuern, ist vorgesehen, dass der Steuerkolben (22) verschiebefest mit einem in einer Betätigungsausnehmung (26) verschiebbar angeordneten Betätigungskolben (27) verbunden ist, dessen erste Stirnseite (28) an einen ersten Betätigungsraum (29) und dessen der ersten Stirnseite (28) abgewandte zweite Stirnseite (30) an einen zweiten Betätigungsraum (31) grenzt, wobei der erste Betätigungsraum (29) und der zweite Betätigungsraum (31) alternativ mit Druck beaufschlagbar sind.The invention relates to a changeover valve (20) for controlling a fluid flow, in particular for length adjustment of a connecting rod (1) of an internal combustion engine, having a control recess (21) in which a control piston (22) is displaceably arranged between a first end position and a second end position. wherein the control recess (21) in its lateral surface (23) has at least one primary control opening (24a, 24b) which in an end position of the control piston (22) by a primary control surface (24a, 24b) of the control piston (22) closed and in another end position is open. In order to control the switching process for a fluid as simply as possible, it is provided that the control piston (22) is non-displaceably connected to an actuating piston (27) displaceably arranged in an actuating recess (26) whose first end face (28) is adjacent to a first actuating space (29) and the first end face (28) facing away from the second end face (30) adjacent to a second actuating space (31), wherein the first actuating space (29) and the second actuating space (31) are alternatively acted upon with pressure.
Description
Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil zum Steuern eines Fluidstromes, insbesondere zur Längenverstellung einer Pleuelstange einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuerausnehmung, in welcher ein Steuerkolben zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei die Steuerausnehmung in ihrer Mantelfläche zumindest eine Primärsteueröffnung aufweist, welche in einer Endstellung des Steuerkolbens von einer Primärsteuerfläche des Steuerkolbens verschlossen und in einer anderen Endstellung geöffnet ist. The invention relates to a switching valve for controlling a fluid flow, in particular for length adjustment of a connecting rod of an internal combustion engine, with a control recess in which a control piston between a first end position and a second end position is slidably disposed, wherein the control recess has in its lateral surface at least one primary control opening, which is closed in a final position of the control piston by a primary control surface of the control piston and opened in another end position.
Die Druckschrift
Die
Nachteilig sind der vergleichsweise hohe Fertigungsaufwand und die Verschleißanfälligkeit der konstruktiv relativ komplexen Bauteile. Disadvantages are the comparatively high manufacturing outlay and the susceptibility to wear of the structurally relatively complex components.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise den Umschaltvorgang für ein Fluid, insbesondere zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine, zu steuern. The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and in the simplest possible way to control the switching process for a fluid, in particular for adjusting the compression ratio of an internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Steuerkolben verschiebefest mit einem in einer Betätigungsausnehmung verschiebbar angeordneten Betätigungskolben verbunden ist, dessen erste Stirnseite an einen ersten Betätigungsraum und dessen der ersten Stirnseite abgewandte zweite Stirnseite an einen zweiten Betätigungsraum grenzt, wobei der erste Betätigungsraum und der zweite Betätigungsraum alternativ mit Druck beaufschlagbar sind. According to the invention this is achieved in that the control piston is non-displaceably connected to a actuating piston displaceably arranged in an actuating piston whose first end face adjacent to a first operating space and the second end face remote from the first end side to a second operating space, wherein the first operating space and the second operating space alternatively be acted upon with pressure.
Betätigungsausnehmung und Steuerausnehmung sind achsgleich in einem Gehäuse, beispielsweise einem das große Pleuelauge aufweisenden ersten Stangenteil der Pleuelstange angeordnet und können beispielsweise kreiszylindrisch geformt sein. Es ist aber auch eine andere – beispielsweise mehreckige – Querschnittsform möglich. Die Form des Betätigungskolbens bzw. Steuerkolbens entspricht der Form der Betätigungsausnehmung bzw. der Steuerausnehmung. Der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche des Betätigungskolbens kann dabei größer, beispielsweise doppelt so groß, wie der Durchmesser bzw. Querschnittsfläche des Steuerkolbens sein. Durch Druckbeaufschlagung des ersten Betätigungsraumes wird der Betätigungskolben – und damit der Steuerkolben – von der ersten Endstellung in seine zweite Endstellung verschoben. Umgekehrt wird der Betätigungskolben samt dem Steuerkolben durch Druckbeaufschlagung des zweiten Betätigungsraumes von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegt. Actuating recess and control recess are coaxially arranged in a housing, for example a first rod part of the connecting rod having the large connecting rod eye and can be shaped, for example, in a circular-cylindrical manner. But it is also another - for example, polygonal - cross-sectional shape possible. The shape of the actuating piston or control piston corresponds to the shape of the actuating recess or the control recess. The diameter or the cross-sectional area of the actuating piston can be larger, for example, twice as large as the diameter or cross-sectional area of the control piston. By pressurizing the first operating space of the actuating piston - and thus the control piston - moved from the first end position to its second end position. Conversely, the actuating piston together with the control piston is moved by pressurization of the second operating space from the second end position to the first end position.
Um den Steuerkolben ohne externen Kraftaufwand – insbesondere ohne Druckbeaufschlagung eines Betätigungsraumes – in einer Endstellung zu halten, ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass das Umschaltventil eine vorzugsweise als Rasteinrichtung ausgebildete Haltevorrichtung aufweist. Mit der Haltevorrichtung kann der Steuerkolben in zumindest einer Endstellung, vorzugsweise in jeder seiner Endstellungen, fixiert werden. Vorzugsweise weist die Rasteinrichtung zumindest eine im Mantel des Steuerkolbens oder des Betätigungskolbens eingeformte Vertiefung auf, in welche in einer Endstellung des Steuerkolbens ein vorzugsweise radial zur Steuerausnehmung bzw. Betätigungsausnehmung bewegbares Rastelement einfahrbar ist. Günstigerweise weist der Mantel des Steuerkolbens bzw. Betätigungskolbens eine der ersten Endstellung des Steuerkolbens zugeordnete erste Vertiefung und eine der zweiten Endstellung des Kolbens zugeordnete zweite Vertiefung auf, wobei vorzugsweise zumindest eine Vertiefung als Ringnut ausgebildet ist. In order to keep the control piston in an end position without external effort, in particular without pressurization of an actuating space, it is provided in an advantageous embodiment variant of the invention that the changeover valve has a retaining device, preferably designed as a latching device. With the holding device, the control piston can be fixed in at least one end position, preferably in each of its end positions. Preferably, the latching device has at least one recess formed in the jacket of the control piston or of the actuating piston, into which, in an end position of the control piston, a preferably radially movable control recess or actuating recess Locking element is retractable. Conveniently, the jacket of the control piston or actuating piston has a first recess assigned to the first end position of the control piston and a second recess assigned to the second end position of the piston, wherein preferably at least one recess is designed as an annular groove.
Eine sehr einfach bauende erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, dass das vorzugsweise als Stift oder Kugel ausgebildete Rastelement in einer radialen Aufnahmebohrung der Steuerausnehmung bzw. der Betätigungsausnehmung verschiebbar gelagert ist und durch eine vorzugsweise durch eine Rückstellfeder gebildete Rückstellkraft in Richtung des Steuerkolbens bzw. Betätigungskolbens belastet ist. A very simple construction according to the invention provides that the preferably formed as a pin or ball locking element is slidably mounted in a radial receiving bore of the control recess or Betätigungsausnehmung and is loaded by a preferably formed by a return spring restoring force in the direction of the control piston or actuating piston.
Bei Verschiebung des Steuerkolbens aus der ersten Endstellung wird das Rastelement in – in Bezug auf die Verschiebeachse des Steuerkolbens – radialer Richtung entgegen der Rückstellkraft aus der ersten Vertiefung verdrängt und gleitet entlang der Mantelfläche des Steuerkolbens, bis die zweite Vertiefung in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens radial fluchtend mit der Aufnahmebohrung zu liegen kommt, worauf das Rastelement durch die Federkraft Rückstellfeder in die Vertiefung geschoben wird und somit einrastet. Dadurch wird der Steuerkolben in dieser zweiten Stellung axial fixiert und kann nur durch Aufbringen einer axialen Kraft, welche die Rückstellkraft der Rückstellfeder überwindet, ausgelenkt werden. Dabei reicht für eine Auslenkung bereits ein kurzer Druckimpuls im Schmierölsystem aus. Upon displacement of the control piston from the first end position, the latching element is - in relation to the displacement axis of the control piston - displaced radial direction against the restoring force from the first recess and slides along the lateral surface of the control piston until the second recess in the second end position of the control piston radially aligned with the receiving bore comes to rest, whereupon the locking element is pushed by the spring force return spring in the recess and thus engages. As a result, the control piston is axially fixed in this second position and can only be deflected by applying an axial force which overcomes the restoring force of the return spring. For a deflection already a short pressure pulse in the lubricating oil system is sufficient.
Eine einfache und energieschonende Betätigung lässt sich erreichen, wenn in den ersten Betätigungsraum zumindest ein erster Betätigungsdruckkanal einmündet, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Öldruckkanal strömungsverbindbar ist. Vorzugsweise geht dabei der erste Betätigungsdruckkanal von einer ersten Betätigungssteueröffnung der Steuerausnehmung aus, welche in der zweiten Endstellung mittels eines vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen ersten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden und in der ersten Endstellung durch eine erste Betätigungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen ist. A simple and energy-saving operation can be achieved if in the first actuating chamber at least a first actuating pressure channel opens, which is connected in the second end position of the control piston with an oil pressure passage fluid. In this case, the first actuating pressure channel preferably starts from a first actuating control opening of the control recess, which in the second end position is flow-connected to the oil pressure channel by means of a preferably at least partially annular first connecting channel of the control piston and closed by a first actuating control surface of the control piston in the first end position.
Um eine beidseitige Betätigung des Steuerkolbens durch einen Druckimpuls zu ermöglichen, ist es vorteilhaft wenn auch in den zweiten Betätigungsraum zumindest ein zweiter Betätigungsdruckkanal einmündet, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise der zweite Betätigungsdruckkanal von einer zweiten Betätigungssteueröffnung des Steuerzylinders ausgeht, welche in der zweiten Endstellung durch eine zweite Betätigungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und in der ersten Endstellung mittels eines vorzugsweise zumindest teilweise ringförmigen zweiten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist. Erster und zweiter Verbindungskanal können aber zum Beispiel auch als Bohrungen ausgeführt sein. In order to enable a two-sided actuation of the control piston by a pressure pulse, it is advantageous if at least a second actuation pressure channel opens into the second actuation space, which is connected in the first end position of the control piston with the oil pressure passage, preferably wherein the second actuation pressure channel of a second actuation control port of Launches control cylinder which is closed in the second end position by a second actuating control surface of the control piston and in the first end position by means of a preferably at least partially annular second connecting channel of the control piston with the oil pressure passage fluidly connected. But first and second connection channel can also be designed as bores, for example.
Um bei Druckbeaufschlagung des zweiten Betätigungsraumes eine rasche Auslenkung des Betätigungs- und des Steuerkolbens zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn vom ersten Betätigungsraum zumindest ein erster Entlastungskanal ausgeht, welcher in der ersten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Rückflusskanal strömungsverbindbar ist. In einer konstruktiv einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Entlastungskanal in eine erste Entlastungssteueröffnung der Steuerausnehmung mündet, welche in der zweiten Endstellung durch eine erste Entlastungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und der ersten Endstellung mittels des zweiten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. In order to enable a rapid deflection of the actuating and the control piston upon pressurization of the second actuating chamber, it is advantageous if at least a first relief channel starts from the first actuating chamber, which in the first end position of the control piston is flow-connected to a return flow channel. In a structurally simple embodiment of the invention, it is provided that the first discharge channel opens into a first relief control opening of the control recess, which is closed in the second end position by a first relief control surface of the control piston and the first end position by means of the second connection channel of the control piston with the return flow channel.
Um bei Druckbeaufschlagung des ersten Betätigungsraumes eine rasche Auslenkung des Betätigungs- und des Steuerkolbens zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn vom zweiten Betätigungsraum zumindest ein zweiter Entlastungskanal ausgeht, welcher in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens mit einem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. Vorzugsweise mündet dabei der zweite Entlastungskanal in eine zweite Entlastungssteueröffnung der Steuerausnehmung ein, welche in der ersten Endstellung durch eine zweite Entlastungssteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen und in der zweiten Endstellung mittels des ersten Verbindungskanals des Steuerkolbens mit dem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. In order to enable a rapid deflection of the actuating and the control piston upon pressurization of the first operating space, it is advantageous if at least a second discharge channel emanates from the second operating space, which in the second end position of the control piston is flow-connected to a return flow channel. Preferably, the second discharge channel opens into a second discharge control opening of the control recess, which is closed in the first end position by a second discharge control surface of the control piston and in the second end position by means of the first connection channel of the control piston with the return flow channel.
Dadurch kann mittels eines Druckimpulses im Ölsystem – beispielsweise dem Schmierölsystem einer Brennkraftmaschine – ein Umschalten des Umschaltventils, insbesondere zur Verstellung der Länge einer Pleuelstange – initiiert werden. This can be initiated by means of a pressure pulse in the oil system - for example, the lubricating oil system of an internal combustion engine - a switching of the switching valve, in particular for adjusting the length of a connecting rod.
Um beispielsweise einen Hochdruckraum einer längenverstellbaren Pleuelstange über eine erste Primärsteueröffnung mit Öldruck zu beaufschlagen, kann vorgesehen sein, dass in einer Endstellung – beispielsweise der zweiten Endstellung – Steuerkolbens zumindest eine mit einer Steuerleitung verbundene Primärsteueröffnung mit dem Öldruckkanal oder einem Rückflusskanal strömungsverbunden ist. In der anderen ersten Endstellung des Steuerkolbens wird diese Strömungsverbindung getrennt. In der ersten Endstellung des Steuerkolbens kann beispielsweise eine erste Primärsteueröffnung geöffnet und mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist und in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens die erste Primärsteueröffnung durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine erste Primärsteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen sein. In Weiterführung der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass in der zweiten Endstellung des Steuerkolbens eine zweite Primärsteueröffnung geöffnet und mit dem Öldruckkanal strömungsverbunden ist und in der ersten Endstellung des Steuerkolbens die zweite Primärsteueröffnung durch eine Primärsteuerfläche, vorzugsweise eine zweite Primärsteuerfläche des Steuerkolbens geschlossen ist. Auf diese Weise können durch die erste und zweite Steueröffnung alternativ eine erste oder eine zweite Steuerleitung mit Druck beaufschlagt werden. In order, for example, to pressurize a high-pressure space of a length-adjustable connecting rod via a first primary control opening with oil pressure, it can be provided that at least one primary control opening connected to a control line is flow-connected to the oil pressure channel or a return flow channel in an end position, for example the second end position control piston. In the other first end position of the control piston, this flow connection is disconnected. In the first end position of the control piston, for example, a first primary control opening can be opened and with the oil pressure channel is flow-connected and in the second end position of the control piston, the first primary control opening by a primary control surface, preferably a first primary control surface of the control piston to be closed. In a continuation of the invention may further be provided that in the second end position of the control piston, a second primary control port is open and fluidly connected to the oil pressure passage and in the first end position of the control piston, the second primary control port through a primary control surface, preferably a second primary control surface of the control piston is closed. In this way, by the first and second control port alternatively a first or a second control line can be pressurized.
Der Umschaltvorgang des Umschaltventils wird durch einen Druckimpuls ausgelöst. Der kurze Druckimpuls wird erzeugt, indem kurzzeitig ein Hochdruckbehälter mit dem Schmierölsystem der Brennkraftmaschine verbunden wird, wobei das Druckniveau im Hochdruckbehälter höher ist als der Druck im Pleuellager, der bei der höchsten Betriebsdrehzahl auftreten kann. Dieser Druckimpuls breitet sich im Schmierölsystem mit Schallgeschwindigkeit aus und bewirkt eine Auslenkung des Steuerkolbens von einer Endstellung in die andere. Bei einem erneuten Druckimpuls wird der Steuerkolben wieder in die ursprüngliche Endstellung zurückgeschoben. The switching of the switching valve is triggered by a pressure pulse. The short pressure pulse is generated by briefly connecting a high-pressure vessel to the lubricating oil system of the internal combustion engine, wherein the pressure level in the high pressure vessel is higher than the pressure in the connecting rod bearing, which can occur at the highest operating speed. This pressure pulse spreads in the lubricating oil system with the speed of sound and causes a deflection of the control piston from one end position to the other. When a new pressure pulse, the control piston is pushed back to the original end position.
Die Erfindung betrifft außerdem eine längenverstellbare Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine mit einem Umschaltventil in einer der oben beschriebenen Ausführungen. The invention also relates to a length-adjustable connecting rod for a reciprocating engine with a switching valve in one of the embodiments described above.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the non-limiting embodiment shown in the figure. Show:
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Functionally identical parts are provided in the embodiment variants with the same reference numerals.
In
Der Steuerkolben
In den ersten Betätigungsraum
Der erste Betätigungsdruckkanal
In ähnlicher Weise geht der zweite Betätigungsdruckkanal
Vom ersten Betätigungsraum
Auch vom zweiten Betätigungsraum
Alternativ zu über Entlastungssteuerflächen
Um den Steuerkolben
Das als Impulsschalter fungierende Umschaltventil
Dazu wird über einen Befehl aus einer elektrischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine ein Magnetventil geöffnet und dadurch aus einem Hochdruckbehälter für das Schmieröl ein Druckimpuls in das Schmiersystem der Brennkraftmaschine eingebracht (nicht dargestellt). The switching valve acting as a
For this purpose, a solenoid valve is opened via a command from an electrical control unit of the internal combustion engine and thereby introduced from a high pressure vessel for the lubricating oil, a pressure pulse in the lubrication system of the internal combustion engine (not shown).
Das Druckniveau im Hochdruckbehälter ist dabei höher als der maximal auftretende Druck im Pleuellager
Der mit dem Betätigungskolben
Um den Betätigungskolben
Die Ableitung des verdrängten Öles erfolgt in das nicht weiter dargestellte Kurbelgehäuse. The derivative of the displaced oil takes place in the crankcase, not shown.
Das Umschaltventil
Die in
In jeder der beiden Ausführungsvarianten ist es möglich, die Pleuelstange
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |