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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem „variable compression ratio“ VCR, also einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis.
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Als Verdichtungsverhältnis bezeichnet man im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung, also des Gesamtvolumens, zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung, also dem Restvolumen. Um optimale Verbrennungs- bzw. Leistungswerte zu erhalten, ist bekannt, dass man zu diesem Zweck das Verdichtungsverhältnis verändern kann. Unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse werden bei den bekannten Hubkolbenmaschinen beispielsweise durch die Änderung der effektiven Länge des Pleuels realisiert, indem beispielsweise der Kurbelradius, die eigentliche Pleuellänge und/oder die Kompressionshöhe verändert werden. Hierzu dient eine im Regelfall hydraulisch betriebene Einstellvorrichtung mit einer oder mehreren Kolben/Zylinder-Stützeinheiten, deren Arbeitsvolumina über einen mit Motoröl betriebenen Hydraulikschaltkreis verschaltet sind. Bestandteil des Hydraulikschaltkreises ist unter anderem auch ein Schalter zum Umkehren der Hydraulikflussrichtung von der einen Kolben/Zylinder-Stützeinheit zur anderen bzw. von einem Arbeitsvolumen zum anderen. Ein Beispiel für eine derartige Hubkolbenmaschine ist in
DE 10 2017 113 984 A1 beschrieben.
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Es ist bekannt, dass im Allgemeinen folgende Anforderungen an die Auslegung von der Umschaltvorrichtung gelten:
- - Es sollen grundsätzlich bei dem Umschalten des Verdichtungsverhältnisses Druckabfälle im Hydraulikbereich des Pleuels vermieden werden, da dadurch die Lagerung des Pleuels beeinträchtigt werden kann.
- - Daraus folgt, dass für jeden Vorgang des Umschaltens eine möglichst geringe Menge von „neuer“ Hydraulikflüssigkeit verwendet werden soll, da diese durch die Kurbelwelle gefördert werden muss und dies mit einem Fließwiderstand verbunden ist, so dass beim Abzweigen, bzw. Verbrauch von Öl für die Umschaltaufgabe ein Druckabfall in der Ölübertragung stattfinden kann. Und dieser Druckabfall ist nachteilig, da er sich u.U. auch auf die Pleuellagerung erstreckt und sich dort ggf. schädlich auswirkt.
- - Das Umschalten soll möglichst schnell geschehen.
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Ausgehend vom Stand der Technik und dem Wissen, welche Kriterien für die Auslegung des Umschaltsystems als relevant angesehen werden, stellt sich die Aufgabe, ein Pleuel für ein variables Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, bei dem das Umschalten sicher durchgeführt werden kann, das eine lange Dauerfestigkeit hat und bei dem die ordnungsgemäße Lagerung des Pleuels (mit der Schmierung des Gleitlagers) zu allen Betriebsbedingungen sichergestellt wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Pleuel mit einer veränderlichen Wirklänge für die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine mittels zumindest einem ersten und einem zweiten Zylinder umfasst ein Umschaltelement zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms, das in eine erste und eine zweite Schaltstellung bringbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung ein Ablauf des ersten Zylinders fluidal zum Befüllen des zweiten Zylinders geschaltet ist. Dabei ist in der ersten Schaltstellung der Ablauf des ersten Zylinders mit einem Auslauf eines Hydraulikflüssigkeitsstroms aus dem Pleuel verbunden. Die Wirklänge wird insbesondere als die Entfernung der kurbelwellenseitigen Lagerung des Pleuels zu einem mit dem Pleuel verbundenen Verdichtungskolben verstanden. Die erste und eine zweite Schaltstellung entspricht einem gewünschten, bzw. einzustellendem oder eingestellten ersten und zweiten Verdichtungsverhältnis. Der Auslauf ist insbesondere eine Kanalverbindung von dem Hydrauliksystem der Umschaltung der Verdichtungsverhältnisse zum Innenraum des Motors, bzw. dem Raum in dem die Kurbelwelle des Motors angeordnet ist. Der erste und zweite Zylinderraum sind bevorzugt unterschiedlich groß, da für das Umschalten unterschiedliche Kräfte benötigt werden. Bevorzugt wird das Öl beim Umschalten vom einen Zylinder in den anderen geleitet. Aber aufgrund der unterschiedlichen Ölmengen, kommt es bei einem Umschaltvorgang zu einem Ölüberschuss, der bei bekannten Ausführungsformen zurück in das Ölversorgungssystem, bzw. die Ölübertragung geleitet wird, aber bei der erfindungsgemäßen Ausführung in den Motorinnenraum abgeleitet wird und dadurch werden Druckstöße in der Pleuellagerung vermieden. Es wurde erkannt, dass zwar ein hoher Öldruck in der Pleuellagerung prinzipiell vorteilhaft ist, da dadurch stets die Schmierung sichergestellt wird, dass aber ein Druckstoß nachteilig ist, da nachfolgend nachteilige Druckabfälle auftreten und auch allgemein das tribologische Gleichgewicht in der Pleuellagerung gestört wird.
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Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Auslauf eines Hydraulikflüssigkeitsstroms aus dem Pleuel mit einer Drosselstelle versehen ist, da dadurch die Menge des abfließenden Öls begrenzt wird und so sichergestellt wird, dass das Öl, das aus dem größeren (ersten) Zylindern in einer ausreichenden Menge zu dem kleineren (zweiten) Zylinder geleitet wird, um diesen letzteren ausreichend zu füllen. Diese Funktion kann auch über ein Überdruckventil erreicht werden, wobei ein Überdruckventil zudem den Vorteil hat, dass der Leckagevolumenstrom bei der normalen Funktion der Schaltfunktionen minimiert und/oder verhindert wird.
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Insbesondere ist in der zweiten Schaltstellung ein Ablauf des zweiten Zylinders fluidal zum Befüllen des ersten Zylinders geschaltet. Hierdurch wird das Öl, bzw. Hydraulikfluid des zweiten Zylinders zum Befüllen des ersten Zylinders verwendet und die zusätzliche Menge des Öls, welches über die Ölübertragung für die Umschaltaufgabe in den Pleuel gefördert werden muss, wird minimiert.
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Auch kann insbesondere dem ersten Zylinder ein Rückschlagventil zugeordnet sein, welches insbesondere jeweils so geschaltet ist, dass durch dieses der Zufluss in den ersten Zylinder ermöglicht ist. So wird ein ungewünschter Abfluss aus dem ersten Zylinder durch die Zuleitung aus dem zweiten Zylinder verhindert.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn dem zweiten Zylinder ein Rückschlagventil zugeordnet ist, welches insbesondere jeweils so geschaltet ist, dass durch dieses der Zufluss in den zweiten Zylinder ermöglicht ist. So wird ein ungewünschter Abfluss aus dem zweiten Zylinder durch die Zuleitung aus dem ersten Zylinder verhindert. Jedem der Zylinder ist bevorzugt jeweils ein entsprechendes Rückschlagventil zugeordnet.
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Insbesondere kann in der ersten Schaltstellung eine ohne eine Drossel versehene Verbindung vom Ablauf des ersten Zylinders mit dem zweiten Zylinder bestehen, um so ein möglichst strömungsverlustfreies Befüllen des zweiten Zylinders zu ermöglichen.
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Ferner ist bevorzugt das für die Hydraulikflüssigkeit vorgesehene Volumen des ersten Zylinders größer, als das des zweiten Zylinders. Dies geschieht insbesondere durch einen größeren Querschnitt des ersten Zylinders, da für das Umschalten mithilfe des ersten Zylinders größere Kräfte notwendig sind, da dies gegen den Gasdruck der Verbrennung im Motor geschieht. Alternativ kann auch die mechanische Kopplung des ersten Zylinders mit einem größeren Hebelarm versehen sein, so dass bei gleichen Querschnitten der Zylinder für den ersten Zylinder ein größerer Verfahrweg vorgesehen ist.
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Insbesondere besteht in der zweiten Schaltstellung eine mit einer Drossel versehene Verbindung von dem Ablauf des zweiten Zylinders mit dem ersten Zylinder. Diese Drossel ist optional. Hierüber werden Druckstöße beim Umschalten reduziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
- 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit umschaltbarem Verdichtungsverhältnis, wobei ein Pleuel einer Vier-Zylinder-Hubkolbenmaschine mit unterhalb der Kurbelwelle gezeigter Bank aus vier den jeweiligen Pleueln zugeordneten Umschaltelementen gezeigt ist,
- 2 eine Hydraulikanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine erfinderische Hydraulikanordnung in einem ersten Schaltzustand,
- 4 die Hydraulikanordnung gemäß 3 in einem zweiten Schaltzustand und
- 5 einen Variante der Ausführungsform der 3 und 4.
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In 1 sind die relevanten Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine 10 gezeigt, die als eine Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem mehrere Zylinder 14 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Verdichtungskolben 16 bidirektional bewegbar geführt ist. Jeder Verdichtungskolben 16 wird von einem Pleuel 18 getragen, der seinerseits an einem Hubzapfen 20 einer Kurbelwelle 22 mit Kurbelwellenmittelachse 24 gelagert ist. Die Kurbelwelle 22 ist ihrerseits drehbar im Gehäuse 12 gelagert.
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Der Pleuel 18 weist eine Einstellvorrichtung 26 auf, die hydraulisch arbeitet. Die Einstellvorrichtung 26 sorgt für eine Veränderung der effektiven Länge des Pleuels 18, womit sich das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 verändern lässt. Ein nicht gezeigter Bolzen der Lagerung des Verdichtungskolbens 16 ist exzentrisch in einem Exzenterring gelagert, der seinerseits in dem Pleuel 18 gelagert ist. Durch eine Veränderung der Winkellage des Exzenterrings ändert sich die Wirklänge des Pleuels 18.
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Eingebunden in den zuvor beschriebenen Hydraulikschaltkreis ist ein Umschaltelement 30, das sich zwischen zwei Schaltpositionen S1, S2 vor- und zurückbewegen lässt, wobei das Umschaltelement 30 in jeder dieser zumindest beiden Schaltpositionen S1, S2 zu jeweils einer der Seiten des Pleuels 18 übersteht. Unterhalb der Kurbelwelle 22 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 eine Bank 56 aus Betätigungselementen 58, wobei jedes Betätigungselement 58 einem Pleuel 18 zugeordnet ist. Jedes Betätigungselement 58 weist eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt auf und bildet einen Bewegungskanal 60, durch den hindurch sich derjenige Teil des Pleuels 18 bei dessen Bewegung um die Kurbelwelle 22 herum hindurchbewegt, in dem das Umschaltelement 30 angeordnet ist. Die beiden gegenüberliegenden Innenseiten des Bewegungskanals 60 werden von zwei gegenüberliegenden Betätigungsflächen 62, 64 gebildet, die eine Schaltkontur bilden und spitzwinklig zur Bewegungsebene des Pleuels 18 verlaufende Flächenabschnitte 66, 68 aufweisen, die einen Verjüngungsabschnitt 70 des Bewegungskanals 60 bilden, und gegenüberliegende Flächenabschnitte 72, 74, die einen Aufweitungsabschnitt 76 des Bewegungskanals 60 bilden. Bei 77 ist die Engstelle des Bewegungskanals 60 angedeutet. Die Bewegungsebene des Pleuels 18 verläuft dabei senkrecht zur Kurbelwellenmittelachse 24, wie dies in 1 bei 78 angedeutet ist.
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Mittels eines schematisch angedeuteten Antriebs 79 lässt sich die Bank 56 aus Betätigungselementen 58 linear vor- und zurückbewegen, und zwar in Richtung des Doppelpfeils 80 und damit parallel zur Erstreckung der Kurbelwellenmittelachse 24. Dabei kann vorgesehen sein, dass statt einer gemeinsamen Verschiebung sämtlicher Betätigungselemente 58 diese auch einzeln verfahrbar sind. Soll das Verdichtungsverhältnis gewechselt werden, so wird das Betätigungselement 58 ausgehend aus seiner Ruhestellung bewegt.
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Die Kurbelwelle 22, die am Gehäuse 12 drehbar gelagert ist weist umlaufend versetzte Hubzapfen 20 auf, die ihrerseits die Pleuel 18 lagern, wobei nur eines gezeigt ist. Zur Versorgung der Pleuel 18 mit Öl ist ein Kanal in der gehäuseseitigen Lagerung der Kurbelwelle 22 integriert und Bohrungen im Pleuel 18 und ein Ölübertragungskanal 50 von der Kurbelwelle 22 in das Pleuel 18 sind vorgesehen. Diese Bohrung mit einer außen liegenden Bohrung wird als Ölübertragung 21 bezeichnet. Hierdurch wird das Pleuel 18 mit Öl für die Schmier- und Kühlaufgabe, wie auch das Umschalten des Umschaltelements 30 versorgt.
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3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der jeweils unterschiedliche Schaltzustände S1, S2 dargestellt sind. In dem in 3 gezeigten Schaltzustand S1 ist das Umschaltelement 30 so geschaltet, dass Hydraulikfluid von dem ersten Zylinder 27 durch einen Ablauf 27a ablaufen kann und insbesondere über das Umschaltelement 30 in den zweiten Zylinder 28 geleitet wird. Entsprechend dient dieser Schaltzustand S1 dazu, den Exzenter des variablen Verdichtungsverhältnisses in den Zustand zu bringen, bei dem der zweite Zylinder 28 gefüllt ist. Am Ab- bzw. Zulauf 28a des zweiten Zylinders 28 ist ein Rückschlagventil 34' so angeordnet, dass dadurch kein Abfluss möglich ist und ferner ist der Abfluss 28a über eine Drossel 32' mit dem Umschaltelement 30 verbunden, welches im Schaltzustand S1 einen Ausfluss verhindert. Da das Wirkvolumen des ersten Zylinders 27 größer ist als das des zweiten Zylinders 28, reicht es aus, ihn komplett zu füllen, ohne dass Öl für Umschaltaufgaben von der Ölübertragung 21 in dieses Hydrauliksystem abgezweigt werden muss. Im Gegenteil: Es herrscht in diesem Schaltzustand ein Ölüberschuss, der über eine Drossel 32 an das Innere des Motorraums abgegeben wird. Hierfür ist im Pleuel 18 eine nach außen offene Bohrung vorgesehen.
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In 4 ist der zweite Schaltzustand S2 gezeigt, bei dem das Schaltelement 30 so geschaltet ist, dass aus dem ersten Zylinder 27 über das Schaltelement 30 kein Abfluss möglich ist. Statt dessen wird aus dem zweiten Zylinder 28 über dessen Abfluss 28a, insbesondere über eine ggf. optionale Drossel 32' und das Umschaltelement 30 ein Fluss über ein (u.U. optionales) Rückschlagventil 34 in den ersten Zylinder 27 ermöglicht. Ein Abfluss von Hydraulikfluid über den Auslauf 45 aus dem Pleuel wird in dieser Schaltsituation verhindert. Zunächst über die Kräfte die durch den Verdichtungskolben 16 der Verbrennungskraftmaschine auf den Exzenter wirken und zusätzlich über die Verhältnisse der Wirkflächen der Zylinder 27 und 28 fließt Hydraulikfluid vom zweiten Zylinder 28 in den ersten Zylinder 27. Um den gesamten Hydraulikfluidbedarf für die Position zu gewährleisten, bei der der erste Zylinder 27 komplett gefüllt ist, wird zusätzliches Hydraulikfluid von der Ölübertragung 21 in das Hydrauliksystem geleitet.
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Vorstehend bei der Diskussion des Standes der Technik, der der Erfindung zugrunde liegt, wurden einige Anforderungen an die Auslegung des Hydrauliksystems genannt. Eine recht wichtige Anforderung ist, dass für das Umschalten eine möglichst geringe Hydraulikflüssigkeitsmenge verwendet werden soll, da dieses durch die Kurbelwelle gefördert werden muss und dies mit einem Fließwiderstand verbunden ist, so dass beim Abzweigen von Öl für die Umschaltaufgabe ein Druckabfall in der Ölübertragung stattfindet. Aus diesem Grund ist es beim Stand der Technik, der in 2 gezeigt ist, so, dass überschüssiges Hydraulikfluid im Schaltzustand S1 aus dem ersten Zylinder 27 teilweise ohne eine Drossel in den zweiten Zylinder 28 und teilweise in das System der Ölübertragung 21 geleitet wird. Dieser zweite Strom wird über eine Drossel 32 begrenzt. So wird der Hydraulikfluidbedarf des Umschaltsystems minimiert. Beim Stand der Technik wird somit toleriert, dass bei diesem Umschaltzustand der Druck in der Lagerung des Pleuels ansteigen kann.
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Die Erfindung hingegen ist zu dem Ergebnis gekommen, dass jegliche Druckschwankungen, nämlich Reduktionen, wie auch Steigerungen, im System der Ölübertragung 21 von Nachteil sind. So wurde erkannt, dass es Vorteile bringt, keinerlei Öl vom Hydrauliksystem der Umschaltung zurück in das System der Ölübertragung 21, also insbesondere dem Fluidübertragungsbereich von der Kurbelwelle in das Pleuel und/oder innerhalb des Pleuel, zu fördern. Es wurde erkannt, dass die allgemein bekannte Forderung eines geringen Ölverbrauchs weniger wichtig ist, als Druckschwankungen zu verhindern. So wird zwar etwas mehr Öl für die Schaltaufgaben derart „verbraucht“, dass es durch die Zuleitung in der Kurbelwelle, bzw. die Ölübertragung 21 ersetzt werden muss, aber hierdurch können Druckstöße der Pleuellagerung bei dem Umschalten des Schaltzustands S1 vermieden werden.
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5 zeigt eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei dem benachbart zum Auslauf aus dem Pleuel ein Überdruckventil 46 vorgesehen ist, welches (wie gezeigt) zusätzlich zu der Drossel 32 zum Einsatz kommen kann oder alternativ dazu. Im ersten Fall ist die Reihenfolge dieser Komponenten austauschbar. Durch die Drossel, bzw. Blende 32 wird der Abfluss zwar gedrosselt aber nicht gänzlich verhindert. Dieser mögliche Nachteil wird dadurch umgehen, dass ein zusätzliches Überdruckventil 46 in einer Reihenschaltung mit der Drossel 32 verwendet wird. Der Öffnungsdruck des Überdruckventils 46 kann insbesondere größer als der übliche Versorgungsdruck sein, sodass das Überdruckventil 46 nur im Falle eines Schaltvorganges in Schaltstellung S1 öffnet. In einer Ausführungsform kann das Überdruckventil 46 als ein Rückschlagventil mit der Öffnungsrichtung in Ausflussrichtung ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Zylinder
- 16
- Verdichtungskolben
- 18
- Pleuel
- 20
- Hubzapfen
- 21
- Ölübertragung
- 22
- Kurbelwelle
- 24
- Kurbelwellenmittelachse
- 26
- Einstellvorrichtung
- 27, 28
- Zylinder bzw. Kolben des Verstellmechanismus
- 27a
- Ablauf bzw. Zulauf aus dem erstem Zylinder
- 28a
- Ablauf bzw. Zulauf aus dem zweiten Zylinder
- 30
- Umschaltelement
- 31
- Verteilsystem
- 32, 32'
- Drossel
- 34, 34'
- Rückschlagventil
- 45
- Auslauf aus Pleuel
- 46
- Überdruckventil
- 51
- Ölübertragungskanal
- 76
- Aufweitungsabschnitt
- 77
- Engstelle des Bewegungskanals
- 78
- Bewegungsebene
- 79
- Antrieb
- 80
- Doppelpfeil
- S1, S2
- Schaltzustände
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017113984 A1 [0002]
