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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle mit einem zentral angeordneten Schaltventil (Zentralventil), welches weitere Schaltventile auf bewegten Triebwerkskomponenten einer Brennkraftmaschine betätigt.
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Ein Anwendungsfall sind Brennkraftmaschinen mit variablen Triebwerkskomponenten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses. Solche Triebwerkskomponenten sind bekannt. Beispielsweise werden in der
DE 102013225063 A1 und in der
DE 102005055199 A1 längenvariable Pleuelstangen beschrieben, welche ein hydraulisches System zur Abstützung der Pleuelstangenkraft und zur Variation der Pleuellänge aufweisen. Dieses hydraulische System, im Folgenden als hydraulische Abstützung bezeichnet, enthält ein Schaltventil, welches sich auf dem Pleuel befindet. Es wird im Folgenden als Hauptschaltventil bezeichnet. Ein in der Kurbelwelle eingebautes Schaltventil der vorliegenden Erfindung kann dazu eingesetzt werden, das Hauptschaltventil des längenvariablen Pleuels zu schalten.
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Das aus der
DE 10 2005 055199 A1 bekannte VCR-Pleuel umfasst ein Hauptschaltventil, welches von unten an den Pleuellagerdeckel geschraubt wird. Das Hauptschaltventil kann alternativ auch direkt in die Pleuelstruktur integriert werden. Außerdem kann das Hauptschaltventil unterschiedliche Ventilfunktionen erfüllen. Es kann z.B. als 3/2-Wegeventil oder als 4/2-Wegeventil ausgeführt werden. Unabhängig von der Bauart hat das Hauptschaltventil zwei Schaltstellungen.
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Diese längenvariablen Pleuelstangen, im Folgenden als VCR-Pleuel bezeichnet, stellen vielversprechende Lösungen dar zur Realisierung einer variablen Verdichtung. Es gibt aber noch weitere Lösungen zur Darstellung einer variablen Verdichtung. Die Abkürzung „VCR“ bezeichnet die Variabilität der Verdichtung (VCR = variable compression ratio). Einer Vielzahl solcher Lösungen variabler Triebwerkskomponenten ist gemeinsam, dass sie Schaltventile zur Steuerung von Fluidströmen aufweisen. Zur Umschaltung dieser Schaltventile sind unterschiedliche Lösungen bekannt. In der
DE 10 2005 055199 A1 wird dazu beispielsweise eine mechanische Betätigung mittels Kurvenscheiben beschrieben.
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Weitere bekannte Ansätze zur Ventilbetätigung basieren auf fluiddruckbetätigten Schaltventilen. Der große Vorteil solcher Ansätze besteht darin, dass keine zusätzlichen mechanischen Teile im Motor verbaut werden müssen, wie im Falle einer mechanischen Betätigung. -Dabei kann das Schaltventil entweder mit dem vorhandenen Schmiersystem in Fluidverbindung gebracht werden oder es sind zusätzliche Steueröldruckleitungen zwischen dem fluiddruckbetätigten Ventil auf dem Pleuel und der ruhenden Motorstruktur erforderlich.
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In der
DE 102009048172 A1 wird ein Kolben mit variabler Kompressionshöhe beschrieben dessen Druckräume mittels eines fluiddruckbetätigten Schaltventils steuerbar sind. Das Schaltventil wird im Kolbenbolzen angeordnet und umfasst einen fluiddruckbetätigten Kolben. Durch Variation des anliegenden Fluiddruckes wird die Stellung des Schaltventils beeinflusst. Herrscht ein geringer Druck am Kolben des Schaltventils, wird der Kolben durch eine Druckfeder an einen ersten Anschlag gedrückt und das Ventil befindet sich in einer ersten Schaltstellung. Herrscht ein hoher Druck am Kolben des Schaltventils, befindet sich das Ventil in einer zweiten Schaltstellung.
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Der Schmierölversorgungsdruck, im Folgenden als Öldruck bezeichnet, am Ausgang der Schmierölpumpe ist bei modernen Brennkraftmaschinen steuerbar und wird üblicherweise kennfeldgesteuert an den jeweiligen Motorbetriebszustand angepasst. Solche als Regelölpumpen bezeichnete Pumpen gehören zum Stand der Technik. Meistens wird dabei das Fördervolumen pro Pumpenwellenumdrehung variiert, was sich im Zusammenspiel mit dem hydraulischen Widerstand des Schmierölkreislaufes des Motors in einer Variation des Öldruckes äußert. Somit ist es bei Motoren mit Regelölpumpen leicht möglich das Öldruckniveau zur Signalübertragung zu nutzen und dadurch Schaltventile zu stellen.
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Befindet sich das zu stellende Schaltventil auf bewegten Triebwerksteilen, wie Kolben oder Pleueln, entspricht der am Schaltventil anliegende Druck nicht dem Druck am Austritt der Ölpumpe. Üblicherweise wird an der Kurbelwelle über die Hauptlagerungen Öl eingebracht, welche über eine schräg verlaufende Bohrung zu dem oder den Hubzapfen der Kurbelwelle strömt und dort durch den oder die Pleuellagerspalt schließlich in den Kurbelraum abströmt. Bei Motoren mit wie in
DE 102009048172 A1 beschriebenen variablen Kolben wird das Öl durch eine Aufnahmenut im Pleuellager ins Pleuel geleitet und von dort aus dem öldruckbetätigten Schaltventil zugeführt. Vom Ort der Einleitung in die Kurbelwelle bis zum Schaltventil passiert das Öl während des Betriebs Orte an denen Trägheitskräfte auf das Öl einwirken. Diese Trägheitskräfte führen schließlich zur Ausbildung sogenannter dynamischer Druckanteile. Dies bedeutet, dass der Öldruck vom Ort und der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt.
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Das kann dazu führen, dass das auf dem bewegten System eingebaute fluiddruckbetätigte Schaltventil bei Überschreitung oder Unterschreitung einer bestimmten Drehzahl unbeabsichtigt seine Schaltstellung ändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle bereitzustellen mit einem fluiddruckbetätigte Schaltventil bereitzustellen, das es erlaubt, ein Hauptschaltventil auf bewegten Triebwerkskomponenten wie zum Beispiel einer längenverstellbaren Pleuelstange unabhängig vom Öldruck am Ölpumpenausgang und unabhängig von der Motordrehzahl anzusteuern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine nach dem Anspruch 1. Herkömmliche Kurbelwellen weisen ein System von Versorgungsölbohrungen auf, die dafür sorgen, dass jedes Lager der Hauptlagerzapfen und jedes Pleuellager der Hubzapfen mit Öl in ausreichender Menge und ausreichendem Druck versorgt wird. Zu diesem Zweck gibt es in den Kurbelwangen der Kurbelwelle jeweils eine Versorgungsölbohrung, die im Wesentlichen radial angeordnet sind und jeweils einen Hubzapfen mit dem benachbarten Hauptlagerzapfen verbinden.
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In den Hauptlagerzapfen und den Hubzapfen sind radiale Bohrungen vorhanden, die das Versorgungsöl an die eigentliche Lagerstelle, das heißt den Schmierspalt zwischen Lagerzapfen und der zugeordneten Lagerschale bringen.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, parallel und hydraulisch getrennt von diesem Versorgungsölsystem in der Kurbelwelle ein zweites Steuerölsystem zu installieren, so dass an jedem Pleuellager bzw. Hubzapfen der Kurbelwelle zusätzlich zu dem Versorgungsöl, das der Schmierung der Lagerstelle dient, noch eine Steuerölversorgung vorhanden ist. Mit Hilfe dieser Steuerölversorgung ist es möglich, dass beispielsweise aus der
DE 10 2005 055 199 A1 bekannt VCR-Pleuel zu steuern. Bezüglich des VCR-Pleuels wird auf diese Offenlegungsschrift verwiesen deren Inhalt in dem Gegenstand der anhängigen Anmeldung aufgenommen wird.
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Um die beiden voneinander getrennten hydraulischen Systeme (Versorgungsöl und Steueröl) realisieren zu können, sind, von wenigen Ausnahmen abgesehen, in den meisten Kurbelwangen der erfindungsgemäßen Kurbelwelle eine Versorgungsölbohrung und eine Steuerölbohrung ausgebildet. Außerdem ist in den Hubzapfen der Kurbelwelle jeweils eine Aufnahmebohrung ausgebildet und in den Hauptlagerzapfen eine Zentralbohrung ausgebildet. Die eine Versorgungsölbohrung und eine Steuerölbohrung in den Kurbelwangen verbinden eine Zentralbohrung eines Hauptlagerzapfens mit einer Aufnahmebohrung eines Hubzapfens.
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Um die gewünschte hydraulische Trennung beider Öl-Kreisläufe zu erreichen, wird in den Aufnahmebohrungen der Hubzapfen erfindungsgemäß jeweils ein erstes Leitelement angeordnet, während mit einer Ausnahme in den Zentralbohrungen der Kurbelwelle jeweils ein zweites Leitelement vorgesehen ist. Die Leitelemente sind letztendlich dazu da, die Trennung des Versorgungsölsystems und des Steuerölsystems aufrechtzuerhalten bzw. im Hubzapfen bzw. den Hauptlagerzapfen wieder herzustellen.
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Gleichzeitig dienen sie dazu, die Lagerstellen am Hauptlagerzapfen und an den Hubzapfen mit Schmieröl zu versorgen. Eine weitere Aufgabe der Leitelemente besteht darin, den Transport von Schmieröl und Steueröl in axialer Richtung durch die Hauptlagerzapfen und die Hubzapfen und damit durch die Kurbelwelle zu gewährleisten.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von jeweils einer Versorgungsölbohrung und einer Steuerölbohrung in jeder Kurbelwange der Kurbelwelle und die Leitelemente in den Hubzapfen und den Hauptlagerzapfen kann jede Lagerstelle der Kurbelwelle mit Schmieröl versorgt werden. Gleichzeitig kann an jedem die gewünschte Steuerölversorgung bereitgestellt werden.
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Aus fertigungstechnischen Gründen hat sich das System aus Aufnahmebohrungen und Zentralbohrung in Verbindung mit darin eingesetzten Leitelementen als besonders geeignet erwiesen. Dadurch ist es möglich mit einer überschaubaren Zahl von gut zugänglichen Bohrungen (Aufnahmebohrungen, Zentralbohrungen sowie Versorgungsölbohrungen und Steuerölbohrungen in den Kurbelwangen) die beiden Ölsysteme in einer Kurbelwelle zu realisieren. Die Leitelemente sind reinfasche Bauteile ohne bewegte Teile. Sie sind in der Regel ein Kunststoffspritzteil oder einfache Drehteil aus Metall, welche mit Hilfe von Ringnuten und radialen Bohrungen die gewünschten Anschlüsse und Verbindungen zwischen den Steuerölbohrung und den Versorgungsölbohrungen sowie den eigentlichen Lagerstellen bzw. der Steuerdrucknut in den Pleuellagerschalen herstellt. Gleichzeitig trennen sie die beiden Ölsystem voneinander.
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Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele von Leitelementen sind lediglich beispielhaft zu sehen. Es liegt auf der Hand, dass Funktionen der Leitelemente auch auf andere Weise realisiert werden können. Daher sind die Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt und erläutert werden, lediglich nicht als beschränkend, sondern informativ zu verstehen.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Zentralventil.
- 2: einen Längsschnitt (A-A) durch die Kurbelwelle.
- 3: einen Querschnitt (B-B) durch die Kurbelwelle.
- 4: einen Querschnitt (C-C) durch die Kurbelwelle.
- 5: einen Querschnitt (D-D) durch die Kurbelwelle.
- 5.1: einen Querschnitt (E-E) durch die Kurbelwelle.
- 6: einen Ausschnitt aus 2 in vergrößertem Maßstab, wobei sich das Schaltventil in einer ersten Schaltstellung befindet.
- 7: das Schaltventil in einer zweiten Schaltstellung.
- 8: eine Abwicklung einer unteren und einer oberen Pleuellagerschale, mit Blickrichtung auf die dem Hubzapfen zugewandten Fläche.
- 9: ein Hydraulikschema bestehend aus einem ersten Schaltventil in der Kurbelwelle und einem zweiten Schaltventil im Pleuel.
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Die Erfindung wird beispielhaft beschrieben für ein System mit VCR-Pleueln. Sie lässt sich aber auch anwenden bei Systemen mit variablen Kolben oder variablen Kurbelwellen.
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Der Kerngedanke der Erfindung ist es, die Auswirkungen der in der rotierenden Kurbelwelle auftretenden dynamischen Druckerhöhung auf ein fluiddruckbetätigtes Schaltventil ganz oder teilweise zu eliminieren.
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Dazu wird ein hydraulisches System vorgeschlagen, bestehend aus einem in der Kurbelwelle befindlichen ersten Schaltventil und weiteren jeweils auf den Pleueln befindlichen Schaltventilen.
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9 zeigt eine vorteilhafte hydraulische Verschaltung der Schaltventile. Das erste Schaltventil 31 wird vorzugsweise zentral in der Kurbelwelle - d. h. in der Drehachse 35 der Kurbelwelle - angeordnet, so dass es im Folgenden als Zentralventil bezeichnet wird. Dieses Zentralventil 31 weist vorzugsweise zwei Schaltstellungen auf, wobei eine erste Schaltstellung durch Federkraft selbsttätig eingenommen wird. Das Zentralventil nimmt die zweite Schaltstellung ein, wenn auf das Ventilglied des Zentralventils 31 eine Kraft in Richtung des Pfeils 34 wirkt, welche die Kraft der Feder 2.3 überwindet. Der Pfeil 34 wirkt in Richtung der Längsachse der Kurbelwelle (nicht dargestellt).
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In 9 ist das Zentralventil 31 in seiner ersten Schaltstellung dargestellt. Das Zentralventil 31 weist vorzugsweise drei Anschlüsse auf. Der erste Anschluss 31.1 steht über Bohrungen in der Kurbelwelle mit der Ölversorgungsleitung der Triebwerkslagerung in Fluidverbindung. D. h. an diesem Anschluss 31.1 liegt in erster Näherung der von der Ölpumpe bereitgestellt (steuerbare) Öldruck an.
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Der zweite Anschluss 31.2 steht mit dem Kurbelraum in Fluidverbindung. Im Kurbelraum herrscht in etwa Umgebungsdruck.
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Der dritte Anschluss 31.3 steht über entsprechende Bohrungen in der Kurbelwelle mit den zu schaltenden Schaltventilen 32 auf den Pleueln in Fluidverbindung.
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In der ersten Schaltstellung stellt das Zentralventil 31 vorzugsweise eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Anschluss 31.2 und dem dritten Anschluss 31.3 her. Die erste Fluidverbindung ist verschlossen. Dies bedeutet, dass der auf die Schaltventile 32 wirkende Steuerdruck in etwa dem Umgebungsdruck entspricht.
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Wenn der das Zentralventil 31 die zweite Schaltstellung einnimmt (nicht dargestellt 9n 9), dann besteht eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Anschluss 31.1 und dem dritten Anschluss 31.3. Die zweite Fluidverbindung ist verschlossen. Dies bedeutet, dass der auf die zu schaltende Schaltventilen 32 wirkende Steuerdruck in etwa dem von der Ölpumpe erzeugten Öldruck pÖL entspricht.
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Durch die Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Schaltstellung (pÖL - PU) könnend die Schaltventile 32 betätigt werden.
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6 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Zentralventils 2. Es ist vorzugsweise als Schieberventil ausgeführt und umfasst einen Ventilzylinder 2.1, einen Ventilschieber 2.2 und eine Druckfeder 2.3.
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Die Druckfeder 2.3 stützt sich auf der einen Seite gegen einen Deckel 2.4 ab. Dieser Deckel 2.4 ist mit dem Ventilzylinder 2.1 fest verbunden beispielsweise durch Verpressen, Verschweißen oder Löten. Er weist in der Mitte eine Öffnung auf, so dass im Federraum 2.1.1 der gleiche Druck wie im Kurbelgehäuse herrscht.
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Der Ventilschieber 2.2. ist an seinem in 6 linken Ende geschlossen. Auf dieses geschlossene Ende stützt sich ein Druckstab 6 ab, der von einem Aktuator betätigt wird.
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In der in 6 dargestellten ersten Schaltstellung gibt die erste Steuerkante 2.2.4 des Ventilschiebers 2.2 die Quer-Bohrungen 2.1.5 im Ventilzylinder 2.1 weitgehend frei, so dass eine Fluidverbindung zwischen der in der Kurbelwelle befindlichen Steuerölbohrung 1.1.2 und dem Kurbelraum hergestellt wird. Die Steuerölbohrung 1.1.2 ist hydraulisch mit dem Schaltventil 32 (siehe 9) verbunden.
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7 zeigt das Zentralventil 2 in seiner zweiten Schaltstellung. Diese Schaltstellung wird dadurch eingenommen, dass ein Druckstab 6 axial auf den Ventilschieber 2.2 drückt und die Kraft der Druckfeder 2.3 überwindet. Der Deckel 2.4 begrenzt den Hub des Ventilschiebers 2.2.
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Ein Betätigungsraum 1.6 steht über eine Quer-Bohrung 2.2.3 und eine Längsbohrung 2.2.2 des Ventilschiebers 2.2 mit dem Kurbelraum in Fluidverbindung. Eine zweite Steuerkante 2.2.5 des Ventilschiebers 2.2 gibt in der zweiten Schaltstellung die Bohrungen 2.1.5 frei und stellt über die Ringräume 2.2.1 und 2.1.2 eine Fluidverbindung zwischen der Steuerölbohrung 1.1.2 und den Zulaufbohrungen 1.2.1 und 1.2.2 her.
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Eine Führungsfläche 2.2.6 des Ventilschiebers 2.2 verhindert ein Verkippen des Ventilschiebers 2.2. Gleichzeitig dichtet die Führungsfläche 2.2.6 den ständig unter Fluiddruck stehenden Ringraum 2.2.1 gegenüber dem ständig unter Kurbelgehäusedruck stehenden Betätigungsraum 1.6 ab.
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Die unvermeidbare Leckage an dieser Stelle wird über die Bohrungen 2.2.2 und 2.2.3 in den Kurbelraum geleitet.
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Von Bedeutung im Zusammenhang mit der Erfindung ist, dass die Wesentlichen Bauteile des Zentralventils 2 symmetrisch zur Drehachse 35 der Kurbelwelle angeordnet sind, so dass die Auswirkung der während des Betriebs auf das in dem Zentralventil befindliche Öl wirkenden Fliehkräfte auf den Öldruck minimiert werden.
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2 zeigt eine vorteilhafte Einbaulage des Zentralventils 2 in der Kurbelwelle 1 einer Brennkraftmaschine. Die Kurbelwelle 1 ist nicht über ihre gesamte Baulänge dargestellt. Auch sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Bezugszeichen vor allem des Zentralventils 2 eingetragen. Diese sind in den 6 und 7 eingetragen auf die hiermit verwiesen wird.
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An ihrem linken Ende sind ein Torsionsschwingungsdämpfer 10 sowie Zahnräder 8 und 9 für Zahnriemenantriebe oder dergleichen angeordnet.
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Daran schließen ein erster Hauptlagerzapfen 1.2, ein Hubzapfen 1.1 für den ersten Zylinder und ein zweiter Hauptlagerzapfen 1.5 an. Je nach der Zahl der Zylinder können noch weitere Hubzapfen und Hauptlagerzapfen vorhanden sein. Die Hubzapfen der dargestellten Kurbelwelle 1 liegen nicht alle in der Zeichnungsebene, so dass nur von dem Hubzapfen 1.1 und dessen Kurbelwangen alle Details in der 2 sichtbar sind.
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Das Zentralventil 2 wird über den Druckstab 6 betätigt. Der Druckstab 6 wird durch eine Zentralschraube 5 mit einer Durchgangsbohrung radial geführt. Durch ein Dichtelement 7 wird verhindert, dass Öl in die Umgebung gelangen kann. Wenn das Zentralventil 2 die zweite Schaltstellung einnehmen soll, muss auf die Stirnfläche 6.1 des Druckstabs 6 eine Betätigungskraft in Richtung des Pfeils 34 einwirken.
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Diese Betätigungskraft wird durch den Druckstab 6 auf den Ventilschieber 2.2 übertragen. Die Betätigungskraft kann auf unterschiedliche Arten aufgebracht werden. Vorzugsweise wird dazu ein elektromagnetischer Aktuator verwendet (nicht dargestellt). Derartige Aktuatoren werden bei Nockenwellenphasenstellern ebenfalls zur Betätigung von Schaltventilen eingesetzt und gehören seit einigen Jahren zum Stand der Technik. Aber auch pneumatische oder hydraulische Aktuatoren prinzipiell geeignet.
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Vorzugsweise werden alle Hauptschaltventile der VCR-Pleuel (nicht dargestellt in 2) durch das Zentralventil 2 gestellt. Um dies zu erreichen, müssen alle Hauptschaltventile mit dem Zentralventil 2 in Fluidverbindung stehen. Gleichzeitig muss jedes VCR-Pleuel und jedes Pleuellager mit Öl versorgt werden, unabhängig von der Schaltstellung des Zentralventils 2. Mit anderen Worten: Jeder Hubzapfen 1.1 benötigt einen Steuerölanschluss und einen Versorgungsölanschluss. Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass jeder Versorgungsölanschluss eines Hubzapfens mit einem benachbarten Hauptlagerzapfen fluidisch verbunden wird. Die Steuerölanschlüsse aller Hubzapfen sind hingegen alle mit dem Steuerölausgang des Zentralventils fluidisch verbunden.
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2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen hydraulischen Netzwerkes in der Kurbelwelle. Jeder Hubzapfen 1.1 ist mit einer in Zapfenmitte verlaufenden Aufnahmebohrung versehen. Für den zum ersten Zylinder gehörenden Hubzapfen 1.1. ist dies die Bohrung 1.1.1. Die Bohrung 1.1.1 verläuft parallel zur Drehachse 35 der Kurbelwelle 1. Zusätzlich ist die Kurbelwelle 1 entlang Ihrer Drehachse 35 über die komplette Länge mit einer Zentralbohrung 1.3 versehen. D. h. an jedem Hauptlagerzapfen ist ein Abschnitt der Zentralbohrung 1.3 vorhanden.
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Zur Leitung des Steueröls ist jede Kröpfung mit zwei radial zur Kurbelwellendrehachse verlaufenden Bohrungen 1.1.2 und 1.1.3 versehen, welche jeweils eine Fluidverbindung zwischen den jeweiligen Aufnahmebohrungen 1.1.1 in den Hubzapfen 1.1 und der Zentralbohrung 1.3 herstellen. Für den dargestellten Hubzapfen 1.1 sind dies die ankommende Steuerölbohrung 1.1.2 und die abgehende Steuerölbohrung 1.1.3. Diese beiden Bohrungen sind über ein Leitelement 3 fluidisch miteinander verbunden. Das Leitelement 3 ist in der Aufnahmebohrung 1.1.1 des Hubzapfens 1.1 angeordnet. Entsprechendes gilt für die weiteren nicht dargestellten Hubzapfen.
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In den weiteren Hauptlagerzapfen 1.5 der Kurbelwelle 1 befinden sich jeweils weitere Leitelemente 4, welche das Steueröl von der einen Kröpfung zur nächsten Kröpfung leiten. Die weiteren Leitelemente 4 sind, wie das Zentralventil 2, in der Zentralbohrung 1.3 angeordnet und verfügen über eine abgehende Bohrung 4.5, die zu der ankommenden Bohrung 4.2 eine entsprechende Winkelausrichtung haben muss, gemäß der Kröpfungsfolge der Kurbelwelle. Im Falle der dargestellten 3-Zylinderkurbelwelle beträgt dieser Winkel 120°. An den Hubzapfen der Zylinder 2 und 3 kann dasselbe Leitelement 4 verbaut werden, wobei die korrekte Winkeleinbaulage sichergestellt werden muss. Nur dann können die Versorgungsölbohrungen und die Steuerölbohrungen benachbarter Kurbelwangen, die regelmäßig nicht in einer Ebene liegen.
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Zur Leitung des Versorgungsöls ist jede Kröpfung der Kurbelwelle 1 1 mit einer dritten radialen Bohrung 1.1.4 versehen, die ebenfalls die im Hubzapfen 1.1 befindliche Aufnahmebohrung 1.1.1 mit der Zentralbohrung 1.3 verbindet. Im Falle des Hubzapfens 1.1 ist dies die Bohrung 1.1.4.
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Die Leitelemente 3 und 4 können wie in den Figuren dargestellt, durch zylindrische aus Metall gefertigte Dreh-Frästeile realisiert werden, welche durch entsprechende Mittel axial und in Winkelausrichtung gesichert werden. Alternativ ließen sich solche Leitelemente auch als kostengünstig zu produzierende Kunststoffspritzgussteile realisieren.
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Jeder Hubzapfen der Kurbelwelle 1 ist mit zwei Bohrungsebenen versehen. Für den Hubzapfen 1.1 sind dies die Ebenen 1.1.5 und 1.1.6. Die erste Ebene 1.1.5 befindet sich vorzugsweise in der Mitte des Hubzapfens. In der Fig. 2 fällt die erste Ebene 1.1.5 mit der Schnittebene C-C zusammen. In der ersten Ebene 1.1.5 liegen die zum Pleuellager abgehenden Versorgungsölbohrungen 1.1.8, wie in 4 zu sehen ist.
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In der zweiten Ebene 1.1.6, welche sich in axialer Richtung in einem Abstand 1.1.10 zur ersten Ebene 1.1.5 befindet, liegen die zum Pleuellager abgehenden Steuerölbohrungen 1.1.9, wie in 5 zu sehen. Das Leitelement 4 weist in den Ebenen 1.1.5 und 1.1.6 liegende Ringräume 3.9 und 3.6 auf, von denen die abgehenden, radial durch den Hubzapfen verlaufenden Bohrungen gespeist werden.
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Die in der zweiten Ebene 1.1.6 liegenden Bohrungen münden in den Ringraum 3.6, welcher wiederum durch die im Leitelement 4 radial angeordneten Bohrungen 3.7 mit dem Steuerölsystem in Fluidverbindung steht.
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Der Ringraum 3.9 in der ersten Ebene 1.1.5 ist über die (Längs-)Nut 3.8 an die Versorgungsölbohrung 1.1.4 angeschlossen. Dadurch ist die Schmierung der Pleuel auf den Hubzapfen gewährleistet.
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Der Abstand 1.1.10 der ersten und der zweiten Ebene sowie die Winkellage der Bohrungen 1.1.8 und 1.1.9 (siehe 4 und 5) stellen wichtige Optimierungsgrößen dar. Zu ihrer Bestimmung müssen Simulationsrechnungen und Motorversuche durchgeführt werden. Zudem müssen diese Größen auf die in den Pleuellagern eingebrachten Nuten abgestimmt werden. Im Folgenden wird eine vorteilhafte Konfiguration beschrieben.
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Die 3, 4, 5 sowie 5.1 stellen Schnitten entlang der Ebenen B-B, C-C, D-D und E-E dar. Aus der Zusammenschau der Figuren lassen sich die Anordnungen der verschiedenen Versorgungsölbohrungen und Steuerölbohrungen sowie der Ringräume und Radialbohrungen der Leitelemente gut erkennen.
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Außerdem lässt sich in diesen Schnittdarstellungen anhand der Leitelemenete 3 gut erkennen, dass die Hubzapfen der Kurbelwelle nicht in einer Ebene, sondern bei der beispielhaft dargestellten Brennkraftmaschine mit drei Zylindern um 120° versetzt zueinander angeordnet sind.
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In der 3 sind die Radialbohrungen 1.5.1 und 1.5.2, welche das Schmieröl von dem Ringraum 4.9 zu der Lagerfläche des Hauptlagerzapfens 1.5 befördern, gut zu sehen.
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In der 4 sind die Radialbohrungen 1.1.8, welche das Schmieröl von dem Ringraum 3.9 zu der Lagerfläche des Hubzapfens 1.1 befördern, gut zu sehen.
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In der 5 sind die Radialbohrungen 1.1.9, welche das Steueröl von dem Ringraum 3.6 zu der Lagerfläche des Hubzapfens 1.1 befördern, gut zu sehen. Dort versorgen sie die Steuerdrucknut 20.2 und 21.2 des Pleuels 20 (siehe 8).
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In der 5.1ist die Steuerölbohrung 1.4, welche eine der Steuerölbohrung 1.1.2 der Kurbelwange 1.1.12 entsprechende Funktion hat, gut zu sehen.
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8 zeigt eine Abwicklung einer unteren und einer oberen Pleuellagerschale, mit Blickrichtung auf die dem Hubzapfen zugewandten Fläche. Die Pleuellagerschale und das Pleuel müssen geteilt sein, damit das Pleuel auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle montiert werden kann. Als obere Pleuellagerschale 21 wird der Teil bezeichnet, der sich im Pleuel befindet. Als untere Pleuellagerschale 20 wird der „Lagerdeckel“ bezeichnet, der mit dem Pleuel verschraubt wird.
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In beiden Pleuellagerschalen sind Nutabschnitte eingearbeitet. In der unteren Pleuellagerschale 20 erstreckt sich ein Versorgungsnutabschnitt 20.1 von der Mitte 20.5 bis zur ersten Stoßstelle 20.4.
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In der oberen Pleuellagerschale 21 wird die Versorgungsnut fortgesetzt. Sie erstreckt sich von der zweiten Stoßstelle (21.1) über 30°. Die abgewickelte Länge der Versorgungsnut 20.1 und 21.1 beträgt damit 1/3 der gesamten Abwicklungslänge, entsprechend 120°. Über die Versorgungsnut 20.1 und 21.1 wird die Schmierölversorgung des Hubzapfens 1.1 sichergestellt und zudem wird Öl zum hydraulischen Abstützsystem des VCR-Pleuels geleitet.
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Die Steuerdrucknut erstreckt sich ebenfalls über 120°. Sie setzt sich zusammen aus einem Abschnitt 20.2 in der unteren Pleuellagerschale 20, welcher sich von der ersten Stoßstelle 20.3 bis zur Mitte der unteren Schale 20.5 erstreckt, und einem Abschnitt 21.2 in der oberen Schale 21, der sich von der ersten Stoßstelle 20.3 über 30° in die obere Schale 21 hinein erstreckt.
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In der oberen Pleuellagerschale 21 gibt es somit einen Bereich von 120°, der frei von Nuten ist. Diese Gestaltung folgt der Überlegung, dass die obere Pleuellagerschale die Gaskraft abstützen muss. Daher wird der am meisten belastete Winkelbereich des Pleuellagers nicht durch Nuten geschwächt. Die drei Versorgungsbohrungen 1.1.8 sind äquidistant über den Umfang verteilt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets eine der drei Bohrungen grade über der Versorgungsnut 20.1 bzw. 21.1 steht, so dass eine ununterbrochene Versorgung des VCR-Pleuels mit Öl gewährleistet ist.
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Die drei Steuerölbohrungen 1.1.9 sind ebenfalls äquidistant über den Umfang verteilt. Auch hier steht stets eine Steuerölbohrung 1.1.9 über der Steuerdrucknut 20.2 bzw. 21.2. Die Oberfläche des Hubzapfens 1.1 und mit ihr die durch diese hindurchgehenden Bohrungen 1.1.8 und 1.1.9 bewegen sich relativ zur Pleuellagerschale in Richtung des Pfeils 22 (siehe 8). Die Bohrungen sind so angeordnet, dass die Versorgungsbohrungen 1.1.8 den Steuerdruckbohrungen 1.1.9 um einen bestimmten Winkel vorauseilen. Im dargestellten Fall eilen die Versorgungsbohrungen den Steuerdruckbohrungen um 15° voraus. Würden beide Bohrungen nebeneinander liegen, hätte dies den Nachteil, dass ein Teil des aus der Versorgungsnut austretenden Ölstromes von der benachbarten Steuerbohrung „abgesaugt“ werden würde, wenn das Zentralventil sich in seiner ersten Schaltstellung befindet. Dies wiederum könnte die Schmierung des Pleuellagers negativ beeinflussen.
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Durch den Winkelversatz hingegen ist die Wegstrecke zwischen den Bohrungsaustritten größer und dadurch wird dieser Effekt abgemildert. Die Versorgungsnut und die Steuerdrucknut sind so angeordnet, dass es keine Bereiche gibt, in denen die Nuten nebeneinander verlaufen. Dadurch soll verhindert werden, dass auf der zur Steuerdrucknut zugewandten Seite mehr Öl aus der Versorgungsnut austritt als auf der abgewandten Seite.
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Lägen die Nuten nebeneinander, wäre der hydraulische Widerstand zwischen Versorgungsnut und Steuerdrucknut infolge der kurzen Spaltlänge zwischen den Nuten sehr gering. Wenn sich das Zentralventil 2 in seiner ersten Schaltstellung befindet, würde über diesen relativ geringen Widerstand vergleichsweise viel Öl von der Versorgungsnut zur Steuerdrucknut fließen, da das Druckniveau in der Steuerdrucknut dann in etwa dem Kurbelgehäusedruck entspricht. Als Folge dessen ergäbe sich ein höherer Öldurchsatz durch das Pleuellager. Die Ölpumpe müsste dann bei Beibehaltung des gleichen Motoröldruckes mehr Öl fördern, was zu einer Zunahme der Ölpumpenantriebsleistung führen würde.
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Der Abstand 1.1.10 zwischen den Bohrungsebenen 1.1.5 und 1.1.6 (siehe 4) stellt einen weiteren Auslegungsfreiheitsgrad dar. Eine Vergrößerung des Abstandes bedeutet, dass die Steuerdrucknut weiter an den Rand der Lagerschale wandert, was dazu führt, dass der Widerstand zwischen Steuerdrucknut und Kurbelgehäuse sinkt. Dies wiederum ließe die Leckage von der Steuerdrucknut 20.2 und 21.2 ins Kurbelgehäuse ansteigen wenn sich das Zentralventil 2 in seiner zweiten Schaltstellung befindet. Ist der Abstand 1.1.10 hingegen gering, ist auch der Widerstand zwischen den Versorgungsbohrungen 1.1.8 und der Steuerdrucknut 20.2 und 21.2 gering, was dazu führt, dass vergleichsweise viel Öl von den Versorgungsbohrungen 1.1.8 in die Steuerdrucknut 20.2 und 21.2 strömt, immer dann wenn sich das Zentralventil 2 in seiner ersten Schaltstellung befindet. Dies hätte zur Folge, dass der Druck in der Steuerdrucknut 20.2 und 21.2 strömt infolge des von den Versorgungsbohrungen 1.1.8 ungewollt eintretenden Ölstromes ansteigt. Das könnte die Schaltfunktion der Hauptventile auf den VCR-Pleueln negativ beeinflussen.
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Ein weiteres zu erwähnendes Detail ist die Reihenfolge in welcher die Nuten überstrichen werden. Im dargestellten Fall wird zuerst die Steuerdrucknut überstrichen und dann die Versorgungsnut. Diese Konfiguration erscheint vorteilhafter, da nach der Versorgungsnut der nutfreie Bereich kommt. Es ist davon auszugehen, dass am Ende der Versorgungsnut zu beiden Seiten die gleichen hydraulischen Verhältnisse herrschen und dadurch der konvergierende Schmierspalt symmetrisch mit Öl geflutet wird.
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Im dargestellten Fall wird in beiden Systemen, also im Versorgungssystem und im Steuerdrucksystem eine ununterbrochene Fluidverbindung zu den jeweiligen Bohrungen im Hubzapfen dargestellt. Ob dies für die Schaltfunktion des Hauptschaltventils und für die Funktion des VCR-Pleuels überhaupt erforderlich ist, ist am Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht geklärt und Gegenstand aktueller Forschung.
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Soll diese Forderung beibehalten werden, gilt die Regel, dass der Nutbereich dem Lagerumfang geteilt durch die Anzahl der Bohrungen entsprechen muss. Im vorliegenden Fall gibt es je System drei Bohrungen und damit muss die Nutlänge 1/3 des Lagerumfanges entsprechen. Wenn zudem die Nuten keine Überlappung aufweisen sollen, verbleibt für den ungenuteten Bereich ebenfalls 1/3 des Lagerumfanges. Würde sich zeigen, dass dieser ungenutete Bereich vergrößert werden muss, müssten je System 4 äquidistant angeordnete Bohrungen vorgesehen werden. Dann umfasst der ungenutete Bereich die Hälfte des Lagerumfanges. Dann kann die komplette obere Pleuellagerschale nutfrei sein.
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Es ist auch denkbar die Nuten segmentiert auszuführen, d.h. Nutbereiche, die nicht zusammenhängend sind. Diese Nutsegmente können dann in Umfangsbereichen angeordnet werden, in denen keine großen Belastungen vorliegen.
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In der beschriebenen Konfiguration herrscht immer dann Öldruck in der Steuerdrucknut, wenn sich das Zentralventil 2 in seiner zweiten Schaltstellung befindet. Dazu muss auf die Stirnfläche 6.1 des Druckstabs 6 eine Kraft ausgeübt werden, indem beispielsweise ein Magnetaktuator bestromt wird. Das Hauptschaltventil auf dem VCR-Pleuel nimmt dann vorzugsweise eine Schaltstellung ein, die eine Verstellung des VCR-Pleuels nach niedriger Verdichtung bewirkt. Niedrige Verdichtung wird immer dann eingestellt, wenn hohe Motorlasten vorliegen. Der höhere Öldurchsatz infolge der unter Druck stehenden Steuerdrucknut fällt bei hohen Motorlasten weniger stark ins Gewicht als bei niedrigen Motorlasten. Zudem entsteht bei hohen Motorlasten mehr Reibungswärme im Pleuellager. Ein höherer Öldurchsatz am Lager ist an dieser Stelle vorteilhaft, um einer Überhitzung des Lagers vorzubeugen.
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Die Ausgestaltung der Fluidverbindungen in der Kurbelwelle lässt sich vergleichsweise einfach fertigen. Dadurch, dass die Hubzapfen jeweils mit Längsbohrungen versehen sind, sind die Radialbohrungen in den Hubzapfen vergleichsweise kurz und sind daher unproblematisch zu bohren. Konventionelle Kurbelwellen weisen hingegen schräg verlaufende Bohrungen vom Hauptlagerzapfen zum Hubzapfen auf, die wesentlich länger sind. Außerdem besteht bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung vollkommene Freiheit in der Winkelanordnung der Radialbohrungen. Damit kann für jeden Motor eine hinsichtlich Lagertragfähigkeit, Reibung und Ölbedarf optimale Position realisiert werden. Dank der Zentralbohrung in der Kurbelwelle, können auch die Verbindungen zwischen Hauptlager- und Hubzapfen durch einfache radial angeordnete Verbindungsbohrungen realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 1.1
- Hubzapfen „Zylinder 1“
- 1.1.1
- Aufnahmebohrung im Hubzapfen
- 1.1.2
- Steuerölbohrung „ankommend“ in Kröpfung „Zylinder 1“
- 1.1.3
- Steuerölbohrung „abgehend“ in Kröpfung „Zylinder 1“
- 1.1.4
- Versorgungsölbohrung
- 1.1.5
- Ebene für Lagerversorgungsbohrungen
- 1.1.6
- Ebene für Steuerdruckbohrungen
- 1.1.7
- Lagerfläche des Hubzapfens
- 1.1.8
- Versorgungsölbohrung „abgehend zum Pleuellager“
- 1.1.9
- Steuerölbohrung „abgehend zum Pleuellager“
- 1.1.10
- Abstand zwischen Ebene 1.1.5 und Ebene 1.1.6
- 1.1.11
- erste Kurbelwange
- 1.1.12
- zweite Kurbelwange
- 1.1.13
- dritte Kurbelwange
- 1.2
- Hauptlagerzapfen „1“
- 1.2.1
- erste Zulaufbohrung zum Zentralventil
- 1.2.2
- zweite Zulaufbohrung zum Zentralventil
- 1.3
- Zentralbohrung
- 1.4
- Steuerölbohrung „ankommend“ in Kröpfung „Zylinder 2“
- 1.5
- Hauptlagerzapfen „2“
- 1.5.1
- erste Versorgungsölbohrung
- 1.5.2
- zweite Versorgungsölbohrung
- 1.6
- Betätigungsraum
- 2
- Zentralventil
- 2.1
- Ventilzylinder
- 2.1.1
- Federraum
- 2.1.2
- Anschluss Pumpe, Ringraum
- 2.1.3
- Anschluss Pumpe, radiale Bohrung
- 2.1.4
- Arbeitsanschluss, Ringraum
- 2.1.5
- Arbeitsanschluss, radiale Bohrung
- 2.2
- Ventilschieber
- 2.2.1
- Ringraum
- 2.2.2
- Axialbohrung
- 2.2.3
- Radialbohrung
- 2.2.4
- erste Steuerkante
- 2.2.5
- zweite Steuerkante
- 2.2.6
- Führungsfläche
- 2.3
- Druckfeder
- 2.4
- Anschlagelement
- 2.4.1
- Durchtritt zum Kurbelraum
- 2.5
- Begrenzungsmutter
- 3
- Leitelement „Hubzapfen“
- 3.1
- Verschlussdeckel
- 3.2
- Sicherungsschraube
- 3.3
- Steuerölverbindung radialer Teil „ankommend“
- 3.4
- Steuerölverbindung axialer Teil
- 3.5
- Steuerölverbindung radialer Teil „abgehend zur nächsten Kröpfung“
- 3.6
- Steuerölverbindung Ringraum
- 3.7
- Steuerölverbindung radialer Teil „abgehend zur Lagerfläche des Hubzapfens“
- 3.8
- Versorgungsölverbindung Nutteil
- 3.9
- Versorgungsölverbindung Ringraum
- 4
- Leitelement „Hauptlagerzapfen“
- 4.1
- Verschlussdeckel
- 4.2
- Steuerölverbindung radialer Teil „ankommend“
- 4.3
- Steuerölverbindung schräger Teil
- 4.4
- Steuerölverbindung axialer Teil
- 4.5
- Steuerölverbindung radialer Teil „abgehend“
- 4.6
- Versorgungsölverbindung radialer Teil
- 4.7
- Versorgungsölverbindung schräger Teil
- 4.8
- Versorgungsölverbindung Nutteil
- 4.9
- Versorgungsölverbindung Ringraum
- 5
- Zentralschraube
- 6
- Druckstab
- 6.1
- Stirnfläche
- 7
- Dichtelement
- 8
- erstes Zahnriemenrad
- 9
- zweites Zahnriemenrad
- 10
- Torsionsschwingungsdämpfer
- 20
- untere Pleuellagerschale
- 20.1
- Versorgungsnutabschnitt in der unteren Pleuellagerschale
- 20.2
- Steuerdrucknutabschnitt in der unteren Pleuellagerschale
- 20.3
- erste Stoßstelle zwischen oberer und unterer Pleuellagerschale
- 20.4
- zweite Stoßstelle zwischen oberer und unterer Pleuellagerschale
- 20.5
- Mitte der unteren Pleuellagerschale
- 21
- obere Pleuellagerschale
- 21.1
- Versorgungsnutabschnitt in der oberen Pleuellagerschale
- 21.2
- Steuerdrucknutabschnitt in der oberen Pleuellagerschale
- 22
- Bewegungsrichtung der Hubzapfenoberfläche in Bezug zur Pleuellagerschale
- 31
- Zentralventil schematisch
- 31.1
- Erster Anschluss verbunden mit der Ölpumpe „Anschluss Pumpe“
- 31.2
- Zweiter Anschluss verbunden mit dem Kurbelraum „Anschluss Tank“
- 31.3
- Dritter Anschluss verbunden mit den zu betätigenden Schaltventilen „Steuerdruckausgang“
- 32
- Hauptschaltventil schematisch
- 33
- Lagerspalt des Pleuellagers
- 34
- Richtung Betätigungskraft des Zentralventils
- 35
- Drehachse der Kurbelwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225063 A1 [0002]
- DE 102005055199 A1 [0002, 0003, 0004, 0013]
- DE 102009048172 A1 [0006, 0008]