WO2015104253A1 - Maschine, insbesondere verbrennungskraftmaschine, mit einem bewegbaren bauteil, das mit einem schaltbaren ventil ausgerüstet ist - Google Patents

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WO2015104253A1
WO2015104253A1 PCT/EP2015/050086 EP2015050086W WO2015104253A1 WO 2015104253 A1 WO2015104253 A1 WO 2015104253A1 EP 2015050086 W EP2015050086 W EP 2015050086W WO 2015104253 A1 WO2015104253 A1 WO 2015104253A1
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valve
connecting rod
piston
machine according
force
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Application number
PCT/EP2015/050086
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Inventor
Karsten Wittek
Original Assignee
Fev Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/044—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of an adjustable piston length

Definitions

  • Machine in particular internal combustion engine, with a movable component equipped with a switchable valve
  • the invention relates to a machine according to the preamble of claim 1 and preferably an internal combustion engine with at least one cylinder, in which a piston is movable via a connecting rod.
  • connecting rods are known in which the effective distance between the large and small connecting rod is adjustable.
  • Such connecting rods are also referred to as variable compression ratio (VCR) connecting rods.
  • VCR variable compression ratio
  • DE-A-10 2012014917 shows an oil pressure pulse control of a VCR connecting rod, wherein an oil supply line is arranged in the connecting rod. In the oil supply line, the oil pressure is changed, whereby an actuating system for connecting rod length change is controlled.
  • EP-B-1 496 219 describes another example of a VCR internal combustion engine.
  • the object of the present invention is to provide a pilot valve which is arranged on a moving (engine) component and can be actuated during operation, ie during the movement
  • Component of the internal combustion engine is integrated at least one valve which is adjustable by an arranged on the stationary structure actuating system, wherein in the actuation system, a control signal from a stationary stationary structure is transformed into an actuating force and the actuating force adjusts or switches the at least one valve, wherein an adjustment of the at least one valve affects a function of the Move ⁇ union member.
  • the actuating system for adjusting the valve essentially fulfills two partial functions.
  • the control signal is transmitted from a stationary (engine) structure to a moving system, eg a VCR connecting rod.
  • the actuation system has the task of suitable device to transform the control signal into a corresponding actuating force for actuating the valve.
  • the control signal is transmitted in the present invention by applying a force or pulse of the control signal, e.g. B. across an air gap, is exerted on a located on the moving system tapping element.
  • the force acting on the tapping element can in the simplest case act directly on the valve to be actuated (direct actuation).
  • the force acting on the tapping element can also be converted using an auxiliary energy in the manner of a precontrol, preferably in a larger force, which acts on the valve to be actuated (indirect actuation).
  • the actuation system of the internal combustion engine according to the invention is preferably intended to actuate the valve without contact or without contact with a (locally) fixed body or component. This drastically reduces wear and noise emissions.
  • the movable component is a connecting rod, in particular a length-adjustable connecting rod.
  • the invention can serve, for. B. on the valve adjustment to change a length of the connecting rod.
  • a hydraulically or magnetically operating device is arranged on the (stationary) engine structure and generates the control signal.
  • a force effect generated by the control signal can be generated by a magnetic force field.
  • the tapping element must have ferromagnetic properties.
  • the force effect can also be generated by a fluid jet directed onto the tapping element, for example from lubricating oil.
  • the fluid jet is deflected at the tapping element, whereby a pulse change is brought about, which has the desired force effect.
  • the Tapping element may for this purpose preferably be designed as a baffle plate to effect the beam deflection. In both cases, the adjustment is force-controlled.
  • the valve is arranged in the region of a piston of an internal combustion engine or the like and that the valve in an end position (upper or lower dead center) of the piston is adjustable.
  • the tapping element can be arranged in different positions on the moving component. The prerequisite is that the fluid jet can hit the tapping element or the magnetic force can act on the tapping element.
  • Another aspect in the choice of the installation position of the tap element is the duration of the force. If the pick-off element is on a connecting rod, e.g. in the region of the piston (ie usually in the region of the small connecting rod eye), the web speed at this point is dependent on the instantaneous crank position and reaches a minimum in the vicinity of the dead center. If the tapping element is located exactly in the center of the small connecting rod eye, then the web speed in the dead center is exactly zero, which simplifies the actuation of the valve. Is z. B.
  • an oil spray nozzle for generating the fluid jet at a height in the crank chamber arranged such that the fluid jet coincides exactly at the bottom dead center of the piston with the axis of the small connecting rod or with the tap element, the time span of a possible force in a continuous fluid jet ma - ximal.
  • the valve has the function of a pilot valve for actuating a main control valve (indirect actuation).
  • a pilot valve for actuating a main control valve (indirect actuation).
  • pilot valve and the main control valve form an integral unit.
  • the integral unit is arranged in the region of the piston.
  • the main control valve may e.g. are operated directly via arranged on the main control valve tap elements.
  • a valve element of the valve is acted upon by the spring force of at least one spring element.
  • the at least one spring element assumes two stable states.
  • the at least one spring element preferably has a "flip-flop" characteristic.
  • the stable states for example, designed as a plate spring, the spring element is curved, so not plan.
  • the plane state To go from a first stable state to the other stable state, the plane state must be passed. The plane state is therefore an unstable state.
  • two spring elements are used, which need not be equipped with the same spring characteristic.
  • FIG. 2 is a sectional view of the connecting rod along a section line A-A in FIG
  • FIG. 4 in a first valve position
  • Fig. 3 is a sectional view of the connecting rod along a section line A-A in FIG
  • FIG. 4 in a second valve position;
  • Fig. 4 shows a section B - B from FIG. 2;
  • Fig. 5 shows a section C - C of FIG. 4
  • Fig. 6 shows a hydraulic diagram for the indirect actuation of a valve in the internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 7 shows a side view of a VCR connecting rod 1 described in the subsequently published patent application DE 10 2013 225 063.0, to which reference is hereby made and the content of which is incorporated by reference into the present patent application.
  • a small connecting rod eye 21 is arranged at the top and a large connecting rod eye 22 at the bottom.
  • the small connecting rod eye 21 receives a piston pin 3.1, wherein the piston pin 3.1, for example.
  • Both the small connecting rod eye 21 and the large connecting rod eye 22 are part of a Pleuelgrund stresses 1.1.
  • a pilot valve 4 of the actuating system 14 is arranged in the piston pin 3.1.
  • a rod 4.1 is radially mounted as a valve element of a pilot valve 4 of the actuation system 14 by two disc springs 4.3.1 and 4.3.2 (see, eg, FIG. 2).
  • each baffles 4.2.1 and 4.2.2 are arranged.
  • the baffles 4.2.1, 4.2.2 are used, for example, as tap elements for a force to actuate the pilot valve 4.
  • the rod 4.1 has only one degree of freedom, namely an axial displacement.
  • the rod 4.1, the disc springs 4.3.1, 4.3.2 and the baffles 4.2.1, 4.2.2 are part of the pilot valve 4, which preferably vor Kunststofft a Hauptsteu ⁇ erventil 6.
  • the main control valve 6 is, for example, in the region of the large connecting rod 22 arranged (see Figure 1).
  • the main control valve 6 could also be arranged elsewhere on the connecting rod 1.
  • the device shown in FIGS. 1 to 7 is an indirect actuation of the main control valve 6 via the pilot control valve 4.
  • the two disc springs 4.3.1 and 4.3.2 are designed so that the rod 4.1 can take two stable (switching) positions.
  • the rod 4.1 has assumed a first stable position and in Fig. 3, the rod 4.1 has assumed a second stable position.
  • a fluid jet of lubricating oil which meets in the direction of arrow 5.1 on the baffle plate 4.2.2 (see Figure 3)
  • the rod 4.1 is brought into the first Stel ⁇ ment.
  • a fluid jet which strikes in the direction of arrow 5.2 on the baffle plate 4.2.1, the rod 4.1 is brought into the second position.
  • the movement of the rod 4.1 in other ways for example, by magnetic forces of one or both sides of the rod 4.1 angeordne ⁇ th solenoid can be realized, with one electromagnet each its associated plate 4.2.1 or 4.2.2 as desired attracts ,
  • the plates 4.2.1 and / or 4.2.2 must have suitable ferromagnetic properties. This electro-magnetic actuation is not shown in the figures, because those skilled in the art with knowledge of the pending patent application can easily realize this operation.
  • a device from which the fluid jet exits for example an oil spray nozzle or the electromagnets are arranged on a stationary stationary internal combustion engine structure, for example a motor housing.
  • a sealing body 4.4 is arranged on the rod 4.1 and connected to the rod 4.1. In the first position of the rod 4.1, the sealing body 4.4 releases outlet openings 4.5.1 for the lubricating oil in a pilot control valve body 4.5 (see FIG. 2). In the second position of the rod 4.1, the sealing body 4.4 closes the outlet openings 4.5.1 in the pilot control valve body 4.5 (see FIG. 3).
  • the pilot control valve 4 piloted by the pilot valve 4 is connected via fluid lines 6.5 and 8 with the pilot valve 4 in combination (see the schematic representation in Figure 6).
  • the fluid connection 1.2.2 from the pilot valve 4 to a fluid outlet opening 1.1.1 in Pleuelground stresses 1.1 is shown (see Figure 5).
  • the design of the fluid connections between the fluid outlet opening 1.1.1 and the hydraulically controlled main control valve 6 is dependent on the chosen installation location of the main control valve 6 on the connecting rod 1 and will not be described in detail.
  • the main control valve 6 is arranged by way of example in the region of the large connecting rod eye 22.
  • the main control valve 6 could also be arranged at any other position of the connecting rod 1.
  • the main control valve 6 is exemplified as a 4/2-way valve. However, other valve types are possible, e.g. a 3/2-way valve. Preferably, the main control valve 6 is designed as a slide valve.
  • the main control valve 6 of this has a hydrauli ⁇ drive's 6.1, which is preferably designed as a spring-loaded hydraulic cylinder (see Figure 6).
  • the hydraulic piston 6.1.2 is connected via a mechanical connection 6.2 with a slide 6.3 of the main control valve 6.
  • the working space 6.1.3 of the hydraulic drive 6.1 is connected via the fluid line 6.5 to a supply groove 1.1.2 of the eccentric 1.2.
  • the supply groove 1.1.2 there is a defined fluid pressure, which sets in the engine operation as a function of different operating parameters.
  • a hydraulic resistor 7 (throttle or orifice) is arranged in the fluid line 6.5. If the pilot valve 4 is in the open position according to FIG. 2, the resistor 7 limits the fluid outflow from the supply groove 1.1.2, so that the oil budget of the engine is as little as possible impaired. Due to the illustrated hydraulic interconnection, the fluid pressure in the working space 6.1.3 of the hydraulic drive 6.1 is controlled in the desired manner. The fluid pressure prevailing in the supply groove 1.1.2 constitutes an auxiliary energy in the sense of system technology. In this way, it is possible, via the dimensioning of the effective surface of the hydraulic piston 6.1.2, to have a corresponding de signal amplification bring about.
  • the force with which the baffles 4.2.1, 4.2.2 are acted upon merely has to be sufficient to actuate the pilot valve 4 including the disk springs 4.3.1 and 4.3.2. With the aid of the hydraulic drive, a force is then generated which is large enough to actuate the main control valve 6.
  • the main control valve 6 assumes a certain initial position, i. a switching position which occurs when there is no or only a slight fluid pressure in the supply groove 1.1.2, e.g. at the start of the engine.
  • both the main control valve 6 and the hydraulic drive 6.1 are aligned longitudinally to a crankshaft axis of the engine.
  • all inertial forces acting on the movable valve components are perpendicular to the degree of freedom of movement of the valve components. Unwanted inertia-related actuation is prevented in this way.
  • the groove 1.2.3 is formed either as a 360 ° umlau ⁇ fende groove or as a segmented groove, but such that the fluid connection is closed in any angular position of the eccentric 1.2.
  • An additional groove 1.2.1 is introduced at an inner bearing surface of the eccentric 1.2 (see FIG. About the fluid connection 1.2.2 are the two grooves 1.2.1 and 1.1.1 in the eccentric 1.2 in permanent fluid communication.
  • the groove 1.2.1 is preferably designed segmented in such a way that the groove is 1.2.1 on the side of the eccentric 1.2, where the wall thickness is large, as shown in Fig. 4 or 5.
  • the length of the groove 1.2.1 should be so long that there is always a fluid connection between the groove 1.2.1 and at least one radial bore 3.1.1 in the piston pin 3.1. For example, if there are four radial holes in the piston pin 3.1, then the groove should 1.2. 1 extend over at least 90 ° in order to ensure the fluid connection in any desired rotational position of the piston pin 3. 1.
  • pilot valve body 4.5 In the pilot valve body 4.5 is a further circumferential groove 4.5.2 introduced introduced introduced, and at least the axially extending bore 4.5.1 (see Fig ur 2), which also serves as Austrittsöffnu ng for the lubricating oil in the manner described above.
  • the fluid connection is realized dad urch up to the valve sealing surface of the sealing body 4.4.
  • the disc springs 4.3.1, 4.3.2 can each have at least one opening 4.3.2. 1, so that a fluid connection can be produced from the outlet of the pilot valve 4 into a crankcase. Dad urch ensures that at the outlet of the pilot valve 4 almost always the same pressure prevails.
  • the disc springs 4.3. 1, 4.3.2 can preferably occupy only two stable states. By the thus realized “flip-flop” behavior, it is pos sible to bring the pilot valve 4 in two stable states. In these conditions, the plate spring 4.3.1 or 4.3.2 is not plan. In order to move from a first stable state to another stable state, the plane state has to be passed through. The plane state is an unstable state. In Fig. 7, a possible course of a spring force F is qualitatively sketched.
  • the spring force F represents the force which acts from the plate spring 4.3.1, 4.3.2 on a body axially in contact with an inner opening of the pilot valve 4.
  • the path S represents the deflection of the force application point starting from a flat position.
  • a single plate spring 4.3.1 or 4.3.2 would be sufficient.
  • at least two radial support planes and thus two telescopic springs 4.3.1, 4.3.2 are required.
  • the spring characteristics of the two springs can be different. For example, a first spring is such that a desired force-displacement curve is realized.
  • the second spring could be much softer and would only have to realize the function of the radial bearing of the rod 4.1.
  • the rod 4.1 is in the first stable position. In this position, the rod 4.1 is preferably axially fixed by the "flip-flop" characteristic of the disc springs 4.3.1, 4.3.2.
  • the disc springs 4.3.1, 4.3.2 are in a first deflection state, as shown in Figure 7 rightmost.
  • the first stable position of the rod 4.1 may alternatively also be be realized in that the deflection of the rod 4.1 is limited to the right by a travel limit, not shown.
  • the deflection would be limited such that the outgoing from the flat position spring travel (counted in the positive direction, as shown in FIG. 7) is smaller than the spring travel to reach the maximum force.
  • the Kraft upon adjustment to be kept low.
  • the main control valve 6 and the pilot valve 4 could be integrated as an integral unit in the piston pin 3.1, so that the operating force for the system acts directly on parts of the main control valve.
  • the fluid lines 1.1.3 and 1.1.4 extend over a bearing gap between Pleuelgrund Sciences 1.1 and the eccentric 1.2.
  • the integral unit is arranged outside of the piston pin 3.1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinder, in dem ein Kolben (12) über ein Pleuel (1) bewegbar ist, wobei ein Kolbenbolzen (3.1) das Pleuel (1) mit dem Kolben (12) beweglich verbindet. In einem beweglichen Bauteil der Verbrennungskraftmaschine ist mindestens ein Ventil (4; 6) integriert, das durch ein Betätigungssystem (14) verstellbar ist, wobei in dem Betätigungssystem (14) ein Steuersignal von einer ruhenden, stationär angeordneten Verbrennungsmotorstruktur in eine Betätigungskraft transformierbar ist und die Betätigungskraft das mindestens eine Ventil (4; 6) verstellt, wobei eine Verstellbewegung des mindestens einen Ventils (4; 6) eine Funktion des beweglichen Bauteils beeinflusst.

Description

Maschine, insbesondere Verbrennunqskraftmaschine, mit einem bewegbaren Bauteil, das mit einem schaltbaren Ventil ausgerüstet ist
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und bevorzugt eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylin- der, in dem ein Kolben über ein Pleuel bewegbar ist.
Um bei Bedarf ein veränderbares Verdichtungsverhältnis einstellen zu können, sind Pleuel bekannt, bei denen der effektive Abstand zwischen großem und kleinem Pleuelauge einstellbar ist. Solche Pleuel werden auch als VCR-Pleuel (variable compression ratio) bezeichnet.
Die DE-A-10 2005 055 199 zeigt ein solches VCR-Pleuel . Eine Änderung der effektiven Pleuellänge wird durch Verdrehen eines in einem kleinen Pleuelauge gelagerten Exzenters herbeigeführt. Die Ursache für eine Exzenterdrehung sind im Wesentlichen die am Kolbenbolzen wirkenden Kräfte. Um den Exzenter von einer Position in eine andere zu überführen, ist der Exzenter mit einer Abstützmechanik verbunden, die als ein Hebelsystem ausgebildet ist. Die Abstützmechanik limitiert einerseits die Drehgeschwindigkeit des Exzenters und verhindert andererseits ein ungewolltes Zurückdrehen des Exzenters in seine Ausgangsposition. Eine Steuerung der Pleuellänge geschieht mechanisch. Nachteilig bei der bekannten Lösung ist, dass sie viel Bauraum benötigt und, dass die mechanische Betätigung für jede Motoranwendung individuell ausgelegt werden muss. In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2013 225 063.0 der gleichen Anmelderin ist ein VCR-Pleuel beschrieben, bei dem die Drehbewegung des Exzenters im kleinen Pleuelauge hydraulisch gesteuert wird. Das zugehöri- ge Schaltventil ist auf dem Pleuel montiert und führt daher eine oszillierende Bewegung während des Betriebs der Brennkraftmaschine aus. Genau genom¬ men ist es eine gemischte Bewegung. Die Bahn hängt vom Einbauort des Ventils im Pleuel ab. Befände sich das Ventil genau in Kolbenbolzenmitte, wäre die Bewegung eine reine Oszillation. Befände sich das Ventil in Hubzapfenmitte, wäre die Bewegung eine reine Rotation.
Außerdem zeigt die DE-A-10 2012014917 eine Öldruckimpulssteuerung eines VCR-Pleuels, wobei in dem Pleuel eine Olzufuhrleitung angeordnet ist. In der Olzufuhrleitung wird der Öldruck verändert, womit ein Betätigungssystem zur Pleuellängenveränderung gesteuert wird.
Ferner ist in EP-B-1 496 219 ein weiteres Beispiel für eine VCR- Brennkraftmaschine beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein (Vorsteuer- Ventil bereitzustellen, dass an einem bewegten (Motor-)Bauteil angeordnet ist und während des Betriebs, d. h. während der Bewegung, betätigt werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem beweglichen Bauteil der Verbrennungskraftmaschine mindestens ein Ventil integriert ist, das durch ein an der stationären Struktur angeordnetes Betätigungssystem verstellbar ist, wobei in dem Betätigungssystem ein Steuersignal von einer ruhenden, stationären Struktur in eine Betätigungskraft transformierbar ist und die Betätigungskraft das mindestens eine Ventil verstellt oder schaltet, wobei eine Verstellbewegung des mindestens einen Ventils eine Funktion des beweg¬ lichen Bauteils beeinflusst.
Das Betätigungssystem zum Verstellen des Ventils erfüllt im Wesentlichen zwei Teilfunktionen. Einerseits wird das Steuersignal von einer ruhenden bzw. stationären (Motor-)Struktur auf ein bewegtes System, z.B. ein VCR-Pleuel, übertragen. Andererseits hat das Betätigungssystem die Aufgabe, durch eine ge- eignete Vorrichtung das Steuersignal in eine entsprechende Betätigungskraft zum Betätigen des Ventils zu transformieren. Das Steuersignal wird in der vorliegenden Erfindung dadurch übertragen, dass eine Kraftwirkung bzw. ein Impuls des Steuersignals, z. B. über einen Luftspalt hinweg, auf ein auf dem be- wegten System befindliches Abgriffselement ausgeübt wird.
Die auf das Abgriffselement wirkende Kraft kann im einfachsten Fall direkt auf das zu betätigende Ventil einwirken (Direktbetätigung). Alternativ kann die am Abgriffselement wirkende Kraft auch unter Nutzung einer Hilfsenergie in der Art einer Vorsteuerung gewandelt werden, vorzugsweise in eine größere Kraft, welche auf das zu betätigende Ventil einwirkt (indirekte Betätigung).
Das Betätigungssystem der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das Ventil berührungslos bzw. ohne Berüh- rung mit einem (orts-)festen Körper oder Bauteil zu betätigen. Dadurch werden der Verschleiß und die Geräuschemissionen drastisch verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das bewegliche Bauteil ein Pleuel, insbesondere ein längenverstellbares Pleuel ist. Die Er- findung kann dazu dienen, z. B. über die Ventilverstellung eine Länge des Pleuels zu verändern.
Weiterhin ist vorgesehen, dass eine hydraulisch oder magnetisch arbeitende Einrichtung an der (ruhenden) Verbrennungsmotorstruktur angeordnet ist und das Steuersignal erzeugt. Eine durch das Steuersignal erzeugte Kraftwirkung kann dabei durch ein magnetisches Kraftfeld erzeugt werden. Dabei muss das Abgriffselement ferro-magnetische Eigenschaften aufweisen.
Alternativ kann die Kraftwirkung auch durch einen auf das Abgriffselement ge- richteten Fluidstrahl, z.B. aus Schmieröl, erzeugt werden. Dabei wird bspw. der Fluidstrahl am Abgriffselement umgelenkt, wodurch eine Impulsänderung herbeigeführt wird, die die gewünschte Kraftwirkung zur Folge hat. Das Abgriffselement kann dazu vorzugsweise wie eine Prallplatte ausgestaltet sein, um die Strahlumlenkung zu bewirken. In beiden Fällen geschieht die Verstellung kraftgesteuert. Ferner ist vorgesehen, dass das Ventil im Bereich eines Kolbens einer Brennkraftmaschine oder dergleichen angeordnet ist und dass das Ventil in einer Endposition (Oberer oder Unterer Totpunkt) des Kolbens verstellbar ist. Das Abgriffselement kann in unterschiedliche Positionen auf dem bewegten Bauteil angeordnet werden. Voraussetzung ist, dass der Fluidstrahl das Abgriffselement treffen kann bzw. die magnetische Kraft auf das Abgriffselement wirken kann.
Ein weiterer Aspekt bei der Wahl der Einbauposition des Abgriffselementes ist die Dauer der Krafteinwirkung. Befindet sich das Abgriffselement auf einem Pleuel z.B. im Bereich des Kolbens (also üblicherweise im Bereich des kleinen Pleuelauges), so ist die Bahngeschwindigkeit an dieser Stelle von der momentanen Kurbelstellung abhängig und erreicht ein Minimum in der Nähe der Totpunkte. Befindet sich dabei das Abgriffselement exakt im Zentrum des kleinen Pleuelauges, so ist die Bahngeschwindigkeit in den Totpunkten genau Null, was das Betätigen des Ventils vereinfacht. Ist z. B. eine Ölspritzdüse zur Erzeugung des Fluidstrahls auf einer Höhe im Kurbelraum derart angeordnet, dass der Fluidstrahl genau im unteren Totpunkt des Kolbens mit der Achse des kleinen Pleuelauges bzw. mit dem Abgriffselement zusammenfällt, so ist die Zeitspanne einer möglichen Krafteinwirkung bei einem kontinuierlichen Fluidstrahl ma- ximal.
Wäre dagegen das Abgriffselement an einem Ort im Bereich des großen Pleuelauges angeordnet, nähert sich die Bahnkurve, die das Abgriffselement bei Drehung der Kurbelwelle beschreibt einer Kreisbahn und die Bahnge- schwindigkeit ist näherungsweise unabhängig von der momentanen Kurbelstellung gleich groß. Vor diesem Hintergrund ist die Einbauposition im Bereich des kleinen Pleuelauges bevorzugt. Außerdem ist vorgesehen, dass das Ventil die Funktion eines Vorsteuerventils zur Betätigung eines Hauptsteuerventils aufweist (indirekte Betätigung). Dadurch reicht eine relativ klein Kraft mit der das oder die Abgriffselemente be- aufschlagt werden aus, um das Vorsteuerventil zu betätigen. Mit Hilfe eines bevorzugt im Pleuel angeordneten zusätzlichen hydraulischen Antriebs kann anschließend eine Kraft erzeugt werden, die ausreicht, um das Hauptsteuerventil zu betätigen. Das Vorsteuerventil hat dabei also lediglich die Funktion eines Relais.
Dabei ist es natürlich auch möglich, dass das Vorsteuerventil und das Hauptsteuerventil eine integrale Einheit bilden. Vorzugsweise ist die integrale Einheit im Bereich des Kolbens angeordnet. Dabei kann das Hauptsteuerventil z.B. über am Hauptsteuerventil angeordnete Abgriffselemente direkt betätigt wer- den.
Bei der Betätigung des Ventils ist ferner vorgesehen, dass das Ventil in zwei definierten Schalt-)Stellungen verharrt, wobei ein Ventilelement des Ventils durch die Federkraft mindestens eines Federelements beaufschlagt wird. Das mindestens eine Federelement nimmt dabei zwei stabile Zustände ein. Dazu weist das mindestens eine Federelement vorzugsweise eine "Flip-Flop"- Charakteristik auf. In den stabilen Zuständen ist bspw. ein als Tellerfeder ausgebildetes das Federelement gewölbt, also nicht plan. Um von einem ersten stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand zu gelangen, muss der plane Zustand durchschritten werden. Der plane Zustand ist dabei also ein labiler Zustand. Zur Betätigung des Ventils werden vorzugsweise zwei Federelemente verwendet, die nicht mit der gleichen Feder-Charakteristik ausgestattet sein müssen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen : Fig . 1 eine Seitenansicht eines Pleuels mit einem Kolben und einem Kolbenbolzen;
Fig . 2 eine Schnittansicht des Pleuels entlang einer Schnittlinie A-A in
Figur 4 in einer ersten Ventilstellung ;
Fig . 3 eine Schnittansicht des Pleuels entlang einer Schnittlinie A-A in
Figur 4 in einer zweiten Ventilstellung; Fig . 4 einen Schnitt B - B aus Figur 2;
Fig . 5 einen Schnitt C - C aus Figur 4;
Fig . 6 ein Hydraulikschema zur indirekten Betätigung eines Ventils in der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine; und
Fig . 7 den möglichen Verlauf der Federkraft einer Tellerfeder als Funktion eines Federweges. Die Figuren 1 bis 7 zeigen ein und dasselbe Ausführungsbeispiel, sodass die Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren jeweils die gleiche Bedeutung haben und zur Erläuterung der Erfindung zwischen den verschiedenen Figuren gewechselt wird . Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines in der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2013 225 063.0 beschriebenen VCR-Pleuels 1 auf die hiermit Bezug genommen wird und deren Inhalt durch diese Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird . In der Figur 1 sind ein kleines Pleuelauge 21 oben und ein großes Pleuelauge 22 unten angeordnet. Das kleine Pleuelauge 21 nimmt einen Kolbenbolzen 3.1 auf, wobei der Kolbenbolzen 3.1 bspw. mit einem Kolben 12 einer nicht darge- stellten Verbrennungskraftmaschine in bekannter Weise verbunden ist. Der Kolben 12 wird in einem Zylinder (nicht dargestellt in Figur 1) geführt. In dem kleinen Pleuelauge 21 ist ein Exzenter 1.2 angeordnet (siehe Figur 4), der durch ein Betätigungssystem 14 (siehe Figur 6) eingestellt bzw. gedreht wer- den kann (in Figur 1 nicht sichtbar).
Sowohl das kleine Pleuelauge 21 als auch das große Pleuelauge 22 sind Teil eines Pleuelgrundkörpers 1.1. Wie sich insbesondere aus den Figuren 2 und 3 ergibt, ist in den Kolbenbolzen 3.1 ein Vorsteuerventil 4 des Betätigungssystems 14 angeordnet.
Im Kolbenbolzen 3.1 wird eine Stange 4.1 als Ventilelement eines Vorsteuerventils 4 des Betätigungssystems 14 durch zwei Tellerfedern 4.3.1 und 4.3.2 radial gelagert (siehe z.B. Figur 2). An den beiden freien Enden der Stange 4.1 sind jeweils Prallplatten 4.2.1 und 4.2.2 angeordnet. Die Prallplatten 4.2.1, 4.2.2 dienen bspw. als Abgriffselemente für eine Krafteinwirkung zum Betätigen des Vorsteuerventils 4. Durch diese Art der Lagerung der Stange 4.1 verfügt die Stange 4.1 nur noch über einen Freiheitsgrad, nämlich eine axiale Verschiebung. Die Stange 4.1, die Tellerfedern 4.3.1, 4.3.2 und die Prallplatten 4.2.1, 4.2.2 sind Teil des Vorsteuerventils 4, das vorzugsweise ein Hauptsteu¬ erventil 6 vorsteuert. Das Hauptsteuerventil 6 ist bspw. im Bereich des großen Pleuelauges 22 angeordnet (siehe Figur 1). Das Hauptsteuerventil 6 könnte aber auch woanders an dem Pleuel 1 angeordnet sein.
Bei der in den Figuren 1 bis 7 gezeigten Vorrichtung handelt es sich um eine indirekte Betätigung des Hauptsteuerventils 6 über das Vorsteuerventil 4.
Die beiden Tellerfedern 4.3.1 und 4.3.2 sind so ausgebildet, dass die Stange 4.1 zwei stabile (Schalt-)Stellungen einnehmen kann. In Fig. 2 hat die Stange 4.1 eine erste stabile Stellung eingenommen und in Fig. 3 hat die Stange 4.1 eine zweite stabile Stellung eingenommen. Bspw. durch einen Fluidstrahl aus Schmieröl, der in Richtung des Pfeils 5.1 auf die Prallplatte 4.2.2 trifft (siehe Figur 3), wird die Stange 4.1 in die erste Stel¬ lung gebracht. Durch einen Fluidstrahl, der in Richtung des Pfeils 5.2 auf die Prallplatte 4.2.1 trifft, wird die Stange 4.1 in die zweite Stellung gebracht.
Alternativ kann die Bewegung der Stange 4.1 auch auf andere Weise, z.B. durch magnetische Kräfte von ein- oder beidseitig der Stange 4.1 angeordne¬ ten Elektromagneten, realisiert werden, wobei je ein Elektromagnet die ihm zugeordnete Platte 4.2.1 oder 4.2.2 wie gewünscht anzieht. Dabei müssen die Platten 4.2.1 und/oder 4.2.2 geeignete ferro-magnetische Eigenschaften aufweisen. Diese elektro-magnetische Betätigung ist in den Figuren nicht dargestellt, weil der einschlägige Fachmann in Kenntnis der anhängigen Patentanmeldung diese Betätigung ohne weiteres realisieren kann.
Eine Vorrichtung, aus der der Fluidstrahl austritt (z.B. eine Ölspritzdüse), bzw. die Elektromagneten sind dabei an einer ruhenden stationären Verbrennungsmotorstruktur, bspw. einem Motorgehäuse, angeordnet. Ein Dichtkörper 4.4 ist auf der Stange 4.1 angeordnet und mit der Stange 4.1 verbunden. In der ersten Stellung der Stange 4.1 gibt der Dichtkörper 4.4 Austrittsöffnungen 4.5.1 für das Schmieröl in einem Vorsteuerventilkörper 4.5 frei (siehe Figur 2). In der zweiten Stellung der Stange 4.1 verschließt der Dichtkörper 4.4 die Austrittsöffnungen 4.5.1 im Vorsteuerventilkörper 4.5 (sie- he Figur 3).
Das durch das Vorsteuerventil 4 vorgesteuerte Hauptsteuerventil 6 steht über Fluidleitungen 6.5 und 8 mit dem Vorsteuerventil 4 in Verbindung (siehe die schematische Darstellung in Figur 6). Im Detail ist lediglich die Fluidverbindung 1.2.2 vom Vorsteuerventil 4 zu einer Fluidaustrittsöffnung 1.1.1 im Pleuelgrundkörper 1.1 dargestellt (siehe Figur 5). Die Ausgestaltung der Fluidverbin- dungen zwischen der Fluidaustrittsöffnung 1.1.1 und dem hydraulisch vorge- steuerten Hauptsteuerventil 6 ist abhängig vom gewählten Einbauort des Hauptsteuerventil 6 auf dem Pleuel 1 und wird nicht näher beschrieben.
Das Hauptsteuerventil 6 ist beispielhaft im Bereich des großen Pleuelauges 22 angeordnet. Das Hauptsteuerventil 6 könnte aber auch an einer beliebigen anderen Position des Pleuels 1 angeordnet sein.
In Fig. 6 ist das Hauptsteuerventil 6 exemplarisch als ein 4/2-Wegeventil ausgeführt. Es sind aber auch andere Ventiltypen möglich, z.B. ein 3/2- Wegeventil. Vorzugsweise ist das Hauptsteuerventil 6 als Schieberventil ausgeführt.
Zur Betätigung des Hauptsteuerventils 6 verfügt dieses über einen hydrauli¬ schen Antrieb 6.1, welcher vorzugsweise als federbelasteter Hydraulikzylinder ausgeführt ist (siehe Figur 6). Der Hydraulikkolben 6.1.2 ist über eine mechanische Verbindung 6.2 mit einem Schieber 6.3 des Hauptsteuerventils 6 verbunden. Der Arbeitsraum 6.1.3 des hydraulischen Antriebes 6.1 ist über die Fluidleitung 6.5 mit einer Versorgungsnut 1.1.2 des Exzenters 1.2 verbunden. In der Versorgungsnut 1.1.2 herrscht ein definierter Fluiddruck, der sich im Motorbetrieb in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsparameter einstellt.
In der Fluidleitung 6.5 ist ein hydraulischer Widerstand 7 (Drossel oder Blende) angeordnet. Befindet sich das Vorsteuerventil 4 in der Offenstellung gemäß Figur 2, begrenzt der Widerstand 7 den Fluidabfluss aus der Versorgungsnut 1.1.2, so dass der Ölhaushalt des Motors möglichst nur wenig beeinträchtigt wird. Durch die dargestellte hydraulische Verschaltung wird der Fluiddruck im Arbeitsraum 6.1.3 des hydraulischen Antriebes 6.1 in gewünschter Weise gesteuert. Der in der Versorgungsnut 1.1.2 herrschende Fluiddruck stellt im Sinne der Systemtechnik eine Hilfsenergie dar. Auf diese Weise ist es möglich, über die Dimensionierung der Wirkfläche des Hydraulikkolbens 6.1.2 eine entsprechen- de Signalverstärkung herbeizuführen. Mit anderen Worten: Die Kraft, mit der die Prallplatten 4.2.1, 4.2.2 beaufschlagt werden, muss lediglich dazu ausreichen, um das Vorsteuerventil 4 inklusive der Tellerfedern 4.3.1 und 4.3.2 zu betätigen. Mit Hilfe des hydraulischen Antriebes wird anschließend eine Kraft erzeugt, die groß genug ist, um das Hauptsteuerventil 6 zu betätigen.
Durch eine Feder 6.1.1 des Hydraulikkolbens 6.1.2 nimmt das Hauptsteuerventil 6 eine bestimmte Initialstellung ein, d.h. eine Schaltstellung, die sich einstellt, wenn kein oder nur ein geringer Fluiddruck in der Versorgungsnut 1.1.2 herrscht, also z.B. beim Start des Motors.
Vorzugsweise sind sowohl das Hauptsteuerventil 6 als auch der hydraulische Antrieb 6.1 längs zu einer Kurbelwellenachse des Motors ausgerichtet. Dadurch stehen alle auf die beweglichen Ventilkomponenten wirkenden Trägheitskräfte senkrecht zum Bewegungsfreiheitsgrad der Ventilkomponenten. Eine unge¬ wollte trägheitskraftbedingte Betätigung wird auf diese Weise unterbunden.
Von einer Fluidaustrittsöffnung 1.1.1 im Pleuelgrundkörper 1.1 besteht eine Fluidverbindung in eine Nut 1.2.3, welche sich auf der Außenfläche des Exzen- ters 1.2 befindet (siehe Figur 5). Die Nut 1.2.3 ist entweder als 360° umlau¬ fende Nut ausgebildet oder als segmentierte Nut, jedoch derart, dass die Fluidverbindung in keiner Winkelstellung des Exzenters 1.2 verschlossen wird.
An einer inneren Lagerfläche des Exzenters 1.2 ist eine weitere Nut 1.2.1 ein- gebracht (vgl. Figur 5). Über die Fluidverbindung 1.2.2 stehen die beiden Nuten 1.2.1 und 1.1.1 im Exzenter 1.2 in permanenter Fluidverbindung. Die Nut 1.2.1 ist vorzugsweise segmentiert ausgeführt und zwar derart, dass sich die Nut 1.2.1 auf der Seite des Exzenters 1.2 befindet, an der die Wandstärke groß ist, wie in Fig. 4 oder 5 dargestellt. Die Länge der Nut 1.2.1 sollte so lang sein, dass stets eine Fluidverbindung zwischen der Nut 1.2.1 und mindestens einer Radialbohrung 3.1.1 im Kolbenbolzen 3.1 besteht. Befinden sich beispielsweise vier radiale Bohrungen im Kolbenbolzen 3.1, so sollte sich die Nut 1.2. 1 über mindestens 90° erstrecken, um in jeder bel iebigen Drehstell ung des Kol benbolzens 3. 1 die Fl uidverbindung zu gewährleisten .
Im Vorsteuerventilkörper 4.5 ist eine weitere umlaufende Nut 4.5.2 einge- bracht, sowie mindestens die axial verlaufende Bohrung 4.5.1 (siehe Fig ur 2), die in der oben beschriebenen Weise auch als Austrittsöffnu ng für das Schmieröl dient. Die Fluidverbindung wird dad urch bis zur Ventild ichtfläche des Dichtkörpers 4.4 realisiert. Die Tellerfedern 4.3.1 , 4.3.2 können jeweils mindestens eine Öffnung 4.3.2. 1 aufweisen, so dass eine Fl uidverbindung vom Austritt aus dem Vorsteuerventil 4 in einen Kurbelraum hergestel lt werden kann . Dad urch ist gewährleistet, dass am Austritt des Vorsteuerventils 4 annähernd stets derselbe Druck herrscht.
Die dargestellte Lageru ng der Stange 4.1 mittels der Tel lerfedern 4.3.1 , 4.3.2 weist gegenüber einer Lageru ng z. B. in einem Gleitlager den Vorteil auf, dass der Einfluss von Beschleunigungskräften auf den Kraftbedarf zum axialen Verlagern der Stange gering ist. Bei einem Gleitlager hingegen, ist davon auszu- gehen, dass die der Axial beweg ung entgegenstehende Reibkraft den radial wirkenden Trägheitskräften proportional ist. Dies hätte zur Folge, dass bei ho¬ hen Motord rehzahlen eine entsprechend hohe Kraft auf die Prallplatten 4.2.1 ,
4.2.2 ausgeübt werden müsste, um die Stange 4. 1 und damit das Vorsteuerventil 4 sicher zu betätigen .
Die Tellerfedern 4.3. 1 , 4.3.2 können vorzugsweise nur zwei stabile Zustände einnehmen . Durch das so realisierte " Flip- Flop"-Verhalten ist es mög lich, das Vorsteuerventil 4 in zwei stabile Zustände zu bringen . In diesen Zuständen ist die Tellerfeder 4.3.1 oder 4.3.2 nicht plan . Um von einem ersten stabilen Zu- stand in einen anderen stabilen Zustand zu gelangen, muss der plane Zustand d urchschritten werden . Der plane Zustand ist ein labiler Zustand . In Fig. 7 ist ein möglicher Verlauf einer Federkraft F qualitativ skizziert. Die Federkraft F repräsentiert die Kraft, welche von der Tellerfeder 4.3.1, 4.3.2 auf einen an einer inneren Öffnung des Vorsteuerventils 4 axial berührenden Körper wirkt. Der Weg S repräsentiert die Auslenkung des Kraftangriffspunktes von einer Planlage ausgehend.
Zur Realisierung der Lagefixierung wäre eine einzige Tellerfeder 4.3.1 oder 4.3.2 ausreichend. Um die Stange 4.1 jedoch radial eindeutig zu lagern, werden vorzugsweise mindestens zwei radiale Abstützebenen und damit zwei Tel- lerfedern 4.3.1, 4.3.2 benötigt. Die Federkennlinien der beiden Federn können dabei verschieden sein. Beispielsweise ist eine erste Feder so beschaffen, dass ein gewünschter Kraft-Weg-Verlauf realisiert wird. Die zweite Feder könnte wesentlich weicher beschaffen sein und müsste nur noch die Funktion der radialen Lagerung der Stange 4.1 realisieren.
In Figur 2 befindet sich die Stange 4.1 in der ersten stabilen Stellung. In dieser Stellung wird die Stange 4.1 vorzugsweise durch die "Flip-Flop"-Charakteristik der Tellerfedern 4.3.1, 4.3.2 axial fixiert. Die Tellerfedern 4.3.1, 4.3.2 befinden sich dabei in einem ersten Auslenkungszustand, wie in Figur 7 ganz rechts dargestellt.
In Figur 3 befindet sich die Stange 4.1 in der zweiten stabilen Stellung. Die Tellerfedern 4.3.1, 4.3.2 befinden sich jetzt im zweiten Auslenkungszustand, wie in Figur 7 ganz links dargestellt. Auch dies ist ein stabiler Zustand. Auf die- se Weise wirkt von den Tellerfedern 4.3.1, 4.3.2 gemäß Figur 3 eine nach links gerichtete Kraft auf die Stange 4.1, welche den Dichtkörper 4.4 gegen den Vorsteuerventilkörper 4.5 drückt und damit eine entsprechende Zuhaltekraft am Vorsteuerventil 4 erzeugt. Diese Zuhaltekraft sollte stets größer sein als die maximal zu erwartende Kraft, welche durch den am Vorsteuerventil 4 an- liegenden Fluiddruck hervorgerufen wird.
Die erste stabile Stellung der Stange 4.1 (gemäß Figur 2) kann alternativ auch dadurch realisiert werden, dass die Auslenkung der Stange 4.1 nach rechts durch eine nicht dargestellte Wegbegrenzung begrenzt wird . Vorteilhafterweise würde die Auslenkung derart begrenzt werden, dass der von der Planlage ausgehende Federweg (in positive Richtung gezählt, gemäß Fig . 7) kleiner ist als der Federweg zum Erreichen des Kraftmaximums. Dadurch kann der Kraftbzw. Energiebedarf zur Verstellung gering gehalten werden .
In einer alternativen und nicht dargestellten Ausführungsform könnte das Hauptsteuerventil 6 und das Vorsteuerventil 4 als integrale Einheit im Kolben- bolzen 3.1 integriert sein, so dass die Betätigungskraft für das System direkt auf Teile des Hauptsteuerventils wirkt. Dies hat zur Folge, dass die Fluidleitun- gen 1.1.3 und 1.1.4 über einen Lagerspalt zwischen Pleuelgrundkörper 1.1 und dem Exzenter 1.2 verlaufen . Möglich ist allerdings auch, dass die integrale Einheit außerhalb des Kolbenbolzens 3.1 angeordnet ist.

Claims

Ansprüche
Maschine umfassend mindestens ein bewegbares Bauteil und eine stationäre Struktur wobei in einem bewegbaren Bauteil mindestens ein Ventil (4; 6) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (4; 6) durch ein an der stationären Struktur angeordnetes Betätigungssystem (14) verstellbar ist, wobei das Betätigungssystem (14) ein Steuersignal von der stationären Struktur in eine Betätigungskraft transformiert und die Betätigungskraft das mindestens eine Ventil (4; 6) verstellt oder schaltet.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Verbrennungskraftmaschine ist umfassend mindestens einen Zylinder, in dem ein Kolben (12) über ein Pleuel (1) bewegbar ist, dass das bewegbare Bauteil ein Kolbenbolzen (3.1) ist, der das Pleuel (1) mit dem Kolben (12) koppelt, dass das mindestens eine Ventil (4; 6) in den Kolbenbolzen (3.1) integriert ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Struktur das Kurbelgehäuse und/oder einen Zylinderblock umfasst.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Bauteil das Pleuel (1), insbesondere ein längenverstellbares Pleuel (1) ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulisch oder magnetisch arbeitende Einrichtung an der stationären Struktur angeordnet ist und das Steuersignal erzeugt.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) im Bereich des Kolbens (12) angeordnet ist.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) bei einem Hub in einer Endposition des Kolbens (12) verstellbar ist.
8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) in zwei definierten Stellungen verharrt, wobei ein Ventilelement (4.1) des Ventils (4) durch die Federkraft von mindestens einem Federelement (4.3.1, 4.3.2) beaufschlagt wird und das mindestens eine Federelement oder die Federelemente (4.3.1, 4.3.2) zwei stabile Zustände einnehmen.
9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) die Funktion eines Vorsteuerventils zur Betätigung eines Hauptsteuerventils (6) aufweist.
10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventil (4) und das Hauptsteuerventil (6) eine integrale Einheit bilden.
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