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Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis und ein Verfahren.
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Aus der
DE102017121236A1 ist ein hydraulisches Umschaltmodul mit einem hydraulisch aktuierten 3/2-Wege-Schaltventil zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Verbrennungskraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge bekannt.
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Das erfindungsgemäße Pleuel mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses (VCR) für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Pleuelkopf und einen Pleuelbolzen. Der Pleuelbolzen ist durch einen Exzenter des Pleuels mit veränderlichem Abstand zum Pleuelkopf gelagert. Dabei umfasst das Pleuel ein hydraulisches Umschaltmodul, das ausgebildet ist, eine Veränderung einer Exzenterstellung des Exzenters zu steuern.
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Dadurch, dass alle erforderlichen Komponenten zur Steuerung einer Veränderung einer Exzenterstellung des Exzenters im hydraulischen Umschaltmodul integriert sind, wird eine für die Herstellung des Pleuels vorteilhafte mechanische Bearbeitung ermöglicht, da nur eine Aufnahme für das hydraulische Umschaltventil vorgesehen werden muss und nicht für mehrere Komponenten, wenn diese einzeln verbaut werden. Durch die Integration der Komponenten im hydraulischen Umschaltmodul wird auch eine vereinfachte Wartbarkeit ermöglicht, vor allem unter den Rahmenbedingungen von Großmotoren, in denen oft zylinderselektiv Komponenten überholt werden müssen.
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Vorzugsweise umfasst das Pleuel zumindest eine Fluidkammer. Diese ist so ausgebildet, dass durch einen Druck eines Hydraulikfluids in der zumindest einen Fluidkammer eine Exzenterstellung des Exzenters steuerbar ist. Mittels des hydraulischen Umschaltmoduls ist der Druck des Hydraulikfluids bei vorteilhaftem Platzbedarf und vorteilhafter Strömungsführung steuerbar. Der vorteilhafte Platzbedarf resultiert aus der Integration der Komponenten zur Steuerung einer Veränderung einer Exzenterstellung des Exzenters im hydraulischen Umschaltmodul, wodurch der erforderliche Bauraum reduziert werden kann. Aufgrund der Verschaltung des Hydraulikkreislaufs im hydraulischen Umschaltmodul können Druckverluste gegenüber einer im Pleuel verteilten Verschaltung verringert werden, da die von dem Hydraulikfluid zurückzulegenden Strecken verkürzt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Pleuels umfasst das hydraulische Umschaltmodul eine Kartusche, ein Leitungssystem, zumindest ein Schaltventil, zumindest zwei Rückschlagventile und zumindest eine Drossel. Die Kartusche dient als Hülle des hydraulischen Umschaltmoduls, umschließt die weiteren Komponenten des hydraulischen Umschaltventils bevorzugt auf drei Seiten und wird besonders bevorzugt mit einem Deckel mittels Verschraubung verschlossen. Die Kartusche umfasst vorzugsweise Dichtelemente wie O-Ringe, um ein Auftreten von Leckageströmen des Hydraulikfluids zu vermeiden oder zumindest zu vermindern. Das Leitungssystem ist in die Kartusche integriert und ermöglicht eine strömungsgünstige Führung des Hydraulikfluids. Bevorzugt sind die Kartusche und das Leitungssystem als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt, was vorteilhaft hinsichtlich Strömungsführung und Bauteilabmessungen ist. Das Schaltventil ermöglicht das Umschalten zwischen verschiedenen Strömungsführungen des Hydraulikfluids, so dass eine Veränderung der Exzenterstellung gesteuert werden kann. Das Schaltventil wird besonders bevorzugt mechanisch aktuiert. Dadurch wird im Vergleich zu einer hydraulischen Aktuierung kein zusätzlicher Hydraulikkreislauf erforderlich. Das hat den Vorteil, dass das Pleuel mit hydraulischem Umschaltmodul oder das hydraulische Umschaltmodul als Einzelkomponente im Rahmen einer Nachrüstung verbaut werden kann ohne dass eine Neuauslegung des Motors notwendig wird. Eines der zumindest zwei Rückschlagventile und die zumindest einen Drossel ermöglichen eine Zu- und/oder Abführung von Öl in und aus dem Kreislauf des Hydraulikfluids im hydraulischen Umschaltmodul. Ein weiteres Rückschlagventil der zumindest zwei Rückschlagventile verhindert den Rückfluss des Hydraulikfluids aus der zumindest einen Fluidkammer, wenn diese mit Druck beaufschlagt wird, so dass ein Verändern einer Exzenterstellung ermöglicht wird.
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Vorzugsweise ist das Schaltventil als 4/2-Wegeventil ausgeführt. Dies ermöglicht, dass mit zwei Schaltpositionen der anliegende Druck in der zumindest einen Fluidkammer und die Flüsse in dem hydraulischen Umschaltmodul vorteilhaft gesteuert werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Pleuels umfasst das hydraulische Umschaltmodul eine Rastkugel-Arretierung. Mittels der Rastkugel-Arretierung wird das Schaltventil in zumindest zwei Schaltpositionen gehalten. Dies hat den Vorteil, dass das Schaltventil in definierten Positionen gehalten wird, wodurch ermöglicht wird, dass Anschlüsse des Schaltventils und zugehörige Anschlüsse des Leitungssystems bündig gekoppelt werden können. Dadurch können Leckageströme des Hydraulikfluids verhindert oder zumindest reduziert werden. Die Rastkugel-Arretierung hat darüber hinaus eine dämpfende Wirkung auf Schaltvorgänge, wodurch Materialverschleiß und - versagen verringert werden können.
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Vorzugsweise werden das Schaltventil, die Kartusche und/oder das Leitungssystem mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Das hat den Vorteil, dass ein Bearbeitungsaufwand im Vergleich zu einer mechanischen Fertigung verringert werden kann. Vorteilhafterweise können die Kartusche und das Leitungssystem so als eine Komponente gefertigt werden, wodurch verringerte Leckageströme aufgrund verringerter Bauteilübergänge ermöglicht werden.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pleuels,
- 2 zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Pleuels,
- 3 eine Ausführungsform eines hydraulischen Umschaltmoduls des erfindungsgemäßen Pleuels,
- 4 eine Ausführungsform eines hydraulischen Umschaltmoduls des erfindungsgemäßen Pleuels.
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1 zeigt ein Pleuel 1 mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses (VCR) für eine Verbrennungskraftmaschine. Das Pleuel 1 umfasst einen Pleuelkopf 2 und einen Pleuelbolzen 3, der durch einen Exzenter 4 des Pleuels 1 mit veränderlichem Abstand zum Pleuelkopf 2 gelagert ist. Das Pleuel 1 umfasst ein hydraulisches Umschaltmodul 5, das ausgebildet ist, eine Veränderung einer Exzenterstellung des Exzenters 4 zu steuern. Das Pleuel 1 wird während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bei jeder Motorumdrehung abwechselnd Zug und Druckkräften ausgesetzt. Die Druckkräfte stammen aus dem Verbrennungsdruck, die Zugkräfte resultieren aus den Massenkräften bei der Umkehrbewegung des Kolbens. Die Druckkräfte bewirken an dem Exzenter 4 ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn mit der Tendenz, den Exzenter 4 in Richtung kleines Verdichtungsverhältnis zu verstellen, die Zugkräfte bewirken ein Drehmoment im Uhrzeigersinn mit der Tendenz, den Exzenter 4 in Richtung großes Verdichtungsverhältnis zu verstellen. Das hydraulische Umschaltmodul 5 ist innerhalb des großen Pleuelauges 17 integriert. Um gesonderte Bauraumanforderungen zu erfüllen, ist es abhängig von Pleuel- und Motorausführung möglich, das hydraulische Umschaltmodul 5 innerhalb des Pleuelschafts 18 unterzubringen.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Pleuel vier Fluidkammern 6,7. Diese sind so ausgebildet, dass durch einen Druck in den Fluidkammern 6,7 eine Exzenterstellung des Exzenters 4 steuerbar ist. Eine erste Gruppe von Fluidkammern 7 expandiert während einer Verstellung in Richtung kleines Verdichtungsverhältnis und komprimiert während einer Verstellung in Richtung großes Verdichtungsverhältnis. Eine zweite Gruppe von Fluidkammern 6 expandiert während einer Verstellung in Richtung großes Verdichtungsverhältnis und komprimiert während einer Verstellung in Richtung kleines Verdichtungsverhältnis. Das Pleuel 1 umfasst zwei lösbare Verriegelungselemente 19,20, die hier als Verriegelungsbolzen ausgeführt sind, und dazugehörige Sperrkonturen, die hier als Bohrungen ausgeführt sind, um den Exzenter 4 in den Endpositionen eines großen und kleinen Verdichtungsverhältnisses zu verriegeln. Versorgt werden die Fluidkammern 6,7 über ein internes Hydrauliksystem, das in 2 mit den erforderlichen Komponenten gezeigt ist. Das interne Hydrauliksystem ist als hydraulisches Umschaltmodul 5 ausgeführt.
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Das in 2a gezeigte hydraulische Umschaltmodul 5 umfasst ein 4/2-Wegeventil als Schaltventil 10, zwei Rückschlagventile 11,12, eine Drossel 13 und einen Filter 23. Über das 4/2-Wegeventil 10 wird gesteuert, welche Fluidkammern 6,7 komprimiert oder expandiert werden. Auch die Verriegelung der Verriegelungselemente 19,20 wird über das 4/2-Wegeventil 10 bestimmt. In dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis umgeschaltet. Das Fluid, hier Öl, fließt aus den Fluidkammern 7 in das hydraulische Umschaltmodul 5. Dort passiert es das Rückschlagventil 11 und fließt zu den Fluidkammern 6. Stromauf des Rückschlagventils 11 kann Öl über die Drossel 13 in die Ölwanne 22 abgeführt werden. Stromab des Rückschlagventils 11 befindet sich ein Zulauf, über den Öl aus dem Motorölkreislauf 22 dem hydraulischen Umschaltmodul 5 zugeführt wird. Bevor es dem hydraulischen Umschaltmodul 5 zugeführt wird, wird das vom Motorölkreislauf 22 kommende Öl gefiltert 23 und passiert ein Rückschlagventil 12. Auch der Verriegelungsbolzen 19 wird hier mit Druck beaufschlagt, so dass er den Exzenter in der Endposition eines großen Verdichtungsverhältnisses verriegelt. In 2b wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem zwei weitere Drosseln 14,15 in dem hydraulischen Umschaltmodul 5 integriert sind. Die beiden Drosseln 14,15 befinden sich in den Ölleitungen zu den Fluidkammern 19,20 und sind in dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb des hydraulischen Umschaltmoduls 5 angeordnet. Die in 2a gezeigte Variante hat den Vorteil einer geringeren Materialbelastung, da die Verriegelungsbolzen 19,20 und die zugehörigen Leitungen nicht mit Öldrücken oberhalb von 10 bar beaufschlagt werden. Die in 2b gezeigte Variante ermöglicht eine Verringerung des erforderlichen Bauraums und erleichtert die Wartbarkeit, da die Integration der Drosseln 14,15 in dem hydraulischen Umschaltmodul 5 ein vorteilhaftes Wechseln ermöglicht.
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3 zeigt eine Ausführungsform des hydraulischen Umschaltmoduls nach der in 2a gezeigten Ausführungsform in Explosionsdarstellung und in zusammengebautem Zustand. Die Drossel 13 und die Rückschlagventile 11,12 sind an einem Ende des hydraulischen Umschaltmoduls 5 angeordnet, das an drei Seiten durch eine Kartusche 8 begrenzt wird. Am entgegengesetzten Ende befindet sich eine Abdeckung 25, über die mittels mehrerer Schrauben 26 das hydraulische Umschaltmodul 5 verschlossen wird. Der Filter 23, das Leitungssystem 9 und das 4/2-Wegeventil 10 sind ebenfalls zu erkennen. Das 4/2-Wegeventil 10 wird über eine Rastkugel-Arretierung 16 in den Endlagen zur Steuerung der Ölflüsse gehalten. Die Lagerung des 4/2-Wegeventils 10 und der Eingriff der Rastkugel-Arretierung 16 sind in 4 gezeigt. Das Schaltventil 10, die Kartusche 8 und/oder das Leitungssystem 9 können mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt oder mechanisch gefertigt werden. Bei einer generativen Fertigung ist der Vorteil, dass ein Bearbeitungsaufwand verringert werden kann. Zum vereinfachten Wechseln und sicheren Positionieren des hydraulischen Umschaltmoduls 5 ist die Kartusche 8 mit Passungen 24 versehen, die in entsprechende Aufnahmen des Pleuels 1 eingreifen. Alternativ ist eine Sicherung des hydraulischen Umschaltmoduls 5 mit Verbindungselementen wie zum Beispiel Schrauben, Stiften, Bolzen oder auch Federn in axialer oder radialer Richtung bezogen auf das hydraulische Umschaltmodul 5 möglich.
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Ein Verfahren (nicht gezeigt) zur Herstellung eines Pleuels 1 mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses (VCR) für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen des Pleuels 1 umfassend einen Pleuelkopf 2 und einen Pleuelbolzen 3, der durch einen Exzenter 4 des Pleuels 1 mit veränderlichem Abstand zum Pleuelkopf 2 gelagert ist,
- - Bereitstellen eines hydraulischen Umschaltmoduls 5, das ausgebildet ist, eine Veränderung einer Exzenterstellung des Exzenters 4 zu steuern,
- - Einsetzen des hydraulischen Umschaltmoduls 5 in das Pleuel 1, und
- - Befestigen des hydraulischen Umschaltmoduls 5 in dem Pleuel 1.
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Zum Einsetzen des hydraulischen Umschaltmoduls 5 sind bevorzugt Führungselemente wie Passungen 24 vorgesehen, so dass ein korrekter Sitz des hydraulischen Umschaltmoduls 5 in dem Pleuel 1 und eine Dichtigkeit erreicht werden. Das Befestigen erfolgt hier ebenfalls anhand von Passungen 24, die in entsprechende Aufnahmen des Pleuels 1 eingreifen. Alternativ ist eine Befestigung des hydraulischen Umschaltmoduls 5 mit Verbindungselementen wie zum Beispiel Schrauben, Stiften, Bolzen oder auch Federn in axialer oder radialer Richtung bezogen auf das hydraulische Umschaltmodul 5 möglich. Die Befestigung ist bevorzugt lösbar ausgeführt, so dass das hydraulische Umschaltmoduls vorteilhaft gewechselt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017121236 A1 [0002]
