WO2016127985A1

WO2016127985A1 - Wegeventil

Info

Publication number: WO2016127985A1
Application number: PCT/DE2016/200033
Authority: WO
Inventors: Andreas MÖLLER; Markus Popp
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2016-08-18
Also published as: DE102015202537A1

Abstract

Ein Wegeventil (1) besteht aus einem in einer zylindrischen Aufnahmebohrung (6a), verschiebbar angeordneten, hydraulisch betätigbaren Steuerschieber (7), der zumindest einen mit Steuerkanten (24 und.25) versehenen Ventilkolben aufweist und durch eine Druckmittelbeaufschlagung an einer ersten Stirnseite (12), welche über einen mit einem Steueranschluss (11) verbundenen Steuerraum (10) erfolgt, entgegen der Kraft einer an einer zweiten Stirnseite (20) angreifenden Rückstellfeder (14) betätigbar ist. Dabei ist in zumindest einer der Schaltstellungen des Wegeventils (1) über den Steuerschieber (7) ein Arbeitsanschluss (8) mit dem Steuerraum (10) verbunden. Um die Funktion und die Ausbildung des Schaltventils zu verbessern, soll sich der Steuerraum (10) gleichachsig zur Aufnahmebohrung (6a), erstrecken und in seinem Bohrungsdurchmesser gegenüber dem der Aufnahmebohrung (6a) reduziert sein, wobei an dessen der Aufnahmebohrung (6a) zugewandten Ende ein Ventilsitz (29) ausgebildet ist. Weiterhin soll der Steuerschieber (7) an seiner mit dem Steuerdruck beaufschlagten Stirnseite (12) einen gegenüber dem zumindest einen Ventilkolben im Durchmesser reduzierten Steuerkolben (13) aufnehmen, der zumindest abschnittsweise in den Steuerraum (10) bewegbar ist, wobei ein an dem Steuerschieber (7) und/oder dem Steuerkolben (13) vorgesehenes Dichtmittel (28) dichtend mit dem Ventilsitz (29) zusammenwirkt, derart, dass der Steuerschieber (7), ausgehend von einer ersten Schaltstellung zunächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche und nach einer vorgegebenen Stellbewegung am gesamten stirnseitigen Querschnitt mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird. Außerdem ist vorgesehen, und zwischen dem der zweiten Stirnseite (20) des Steuerkolbens (7) zugewandten Ende der Rückstellfeder (14) und dieser Stirnseite (20) ein Übertragungselement (22) angeordnet ist, über welches die Federkraft ausschließlich über einen mittigen Angriffspunkt auf den Steuerschieber (7) übertragen wird.

Description

Wegeventil

Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wegeventil mit einem in einer zylindrischen Aufnahmebohrung verschiebbar angeordneten, hydraulisch betätigbaren Steuerschieber, der zumindest einen mit Steuerkanten versehenen Ventilkolben aufweist und durch eine Druckmittelbeaufschlagung an einer ersten Stirnseite, welche über einen mit einem Steueranschluss verbundenen Steuerraum erfolgt, entgegen der Kraft einer an einer zweiten Stirnseite angreifenden Rückstellfeder betätigbar ist, wobei in zumindest einer der Schaltstellungen des Wegeventils über den Steuerschieber ein Arbeitsanschluss mit dem Steuerraum verbunden ist.

Stand der Technik

Wegeventile werden vorgesehen, um eine hydraulische Verbindung zwischen verschiedenen Leitungen abzusperren oder freizugeben, wodurch insgesamt wechselnde Leitungsverknüpfungen geschaffen werden können. Dabei können Wegeventile mit einer direkten hydraulischen Betätigung versehen sein, wofür eine stirnseitige Kolbenfläche des Steuerschiebers mit einem Steuerdruck beaufschlagt wird. Eine Rückstellung des Steuerschiebers kann durch eine als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder erfolgen. Wegeventile weisen in der Regel einen mit zumindest einem Ventilkolben versehenen Steuerschieber auf, der in einer Aufnahmebohrung eines Ventilgehäuses oder unmittelbar des Bauteils, das das Wegeventil aufnimmt, geführt ist. Dabei ist der zumindest eine Ventilkolben mit Steuerkanten versehen, die mit Anschlusskanälen oder -bohrungen derart zusammenwirken, dass sich eine positive oder negative Überdeckung ergibt.

Im vorliegenden Fall ist weiterhin vorgesehen, das entsprechende Wegeventil vorzugsweise im Rahmen einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verwenden. Das Verdichtungsverhält- nis ε einer Zylindereinheit ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes. Das Verdichtungsverhältnis von Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird erhöht, um deren Wirkungsgrad zu steigern, was zur Folge hat, dass der Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung der Hubkolben- brennkraftmaschine reduziert wird. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.

Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff- Luftgemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftma- schine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Voll- lastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.

Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftma- schine zu verändern, wie z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.

Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, die in der Weise eine Verstellung des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwel- le und einem Kolbenbolzen vornehmen, dass ein Exzenter durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt wird. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist insbesondere für eine am Kolbenbolzenlager vorgesehene Vorrichtung zweck- mäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auf- treten kann, vermieden werden. Entsprechende Druckräume sind dabei über Leitungsabschnitte mit einem innerhalb des Pleuels angeordneten Wegeventil verbunden.

Ein Wegeventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der DE 10 2013 103 685 A1 bekannt. Mit diesem wird eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteuert, welche mit einem in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordneten Exzenter versehen ist. Innerhalb des mit zwei diametral verlaufenden Laschen versehenen Exzenters verläuft eine Kolbenbolzenbohrung, in der ein einen Arbeitskolben mit dem Pleuel verbindender Kolbenbolzen angeordnet ist. An den Laschen greift jeweils eine Kolbenstange der Vorrichtung an, wobei die Kolbenstangen mit Verstell kolben verbunden sind. Führungszylinder, die die Verstell kolben aufnehmen, werden über Ölzulauflei- tungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Pleuellager versorgt. Neben der entsprechenden Ölzulaufleitung ist an jeden der beiden Führungszylinder eine Ölrücklauflei- tung angeschlossen, die zu dem die Vorrichtung steuernden Wegeventil führt.

Über das Wegeventil, das aus einem hülsenartigen Gehäuse und einem kolbenartig ausgebildeten Steuerschieber besteht, wird wahlweise einer der Druckräume der Füh- rungszylinder über die entsprechende Ölrücklaufleitung entleert. Der Steuerschieber wird über einen Steuerraum stirnseitig mit einem Druck beaufschlagt, der über eine als Verstellpumpe ausgebildete Schmierölpumpe variiert wird. Eine über den Steuerraum mit dem Druck beaufschlagte Stirnseite des Steuerschiebers ist kegelstumpfartig ausgebildet, so dass in einer Endstellung des Steuerschiebers, die einer ersten Schaltstellung entspricht, zunächst nur ein kreisringartiger Flächenanteil der Stirnseite mit dem Druck beaufschlagt wird. In einer zweiten Schaltstellung des Wegeventils, in das dieses über einen Steuerdruck verschoben und mittels eines kugelschreibermechanikartigen Schaltmechanismus arretiert wird, nimmt der Steuer- Schieber eine Stellung ein, in welcher gelangt das Druckmittel aus einer der Ölrück- laufleitungen in den Steuerraum und somit in die Steuerleitung gelangt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktion und die Ausbildung des Wegeventils zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Danach soll sich der Steuerraum gleichachsig zur Aufnahmebohrung erstrecken und in seinem Bohrungsdurchmesser gegenüber dem der Aufnahmebohrung reduziert sein, wobei an dessen der Aufnahmebohrung zugewandten Ende ein Ventilsitz ausgebildet ist. Außerdem nimmt der Steuerschieber an seiner mit dem Steuerdruck beaufschlagten Stirnseite einen gegenüber dem zumindest einen Ventilkolben im Durchmesser reduzierten Steuerkolben auf, dessen Außenmantelfläche zumindest abschnittsweise dichtend mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Die Außenmantelfläche des Steuerkolbens und des Ventilsitzes ist derart, dass der Steuerschieber, ausgehend von einer ersten Schaltstellung zunächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche und nach einer vorgegebenen Stellbewegung am gesamten stirnseitigen Querschnitt mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird. Außerdem ist zwischen dem der zweiten Stirnseite zugewandten Ende der Rückstellfeder und dieser Stirnseite ein Übertragungselement angeordnet ist, über welches die Federkraft ausschließlich über einen mittigen Angriffspunkt auf den Steuerschieber übertragen wird.

Somit kann der Steuerdruck, mit dem zunächst eine Stirnfläche des Steuerkolbens beaufschlagt wird, reduziert werden, nachdem die Außenmantelfläche vom Ventilsitz abgehoben hat. Mittels des Übertragungselements wird erreicht, dass die am Steuerkolben vorgesehene Dichtfläche gleichmäßig an den am Ende des Steuerraums ausgebildeten Ventilsitz angepresst wird. Ist, wie üblich, die als Schraubenfeder ausgebildete Rückstellfeder mit geschliffenen und angelegte Enden versehen, von denen eines unmittelbar an der zweiten Stirnseite des Steuerschiebers anliegt, so erstreckt sich die wirksame Anlagefläche der Rückstellfeder nur über etwa 260°. Das hat zur Folge, dass die von der Rückstellfeder übertragene Kraft ungleichmäßig auf den Steuerschieber und somit auch mit, über den gesamten Dichtungsumfang gesehen, unterschiedlichen Anpresskräften auf dessen vorgenannte stirnseitige Abdichtung wirkt. Dadurch tritt das Problem auf, dass zum Beginn eines Umschaltvorgangs des Steuerschiebers der Steuerraum nicht in ausreichendem Maße gegenüber dem Inneren der Aufnahmebohrung abgedichtet ist und folglich Funktionsstörungen auftreten. Das Übertragungselement sorgt dafür, dass, ausgehend von der auf dieses übertragene Federkraft der Rückstellfeder, die Kraft durch die mittige punktförmige Anlage des Übertragungselements an der zweiten Stirnseite des Steuerschiebers gleichmäßig verteilt auf den Dichtungsverbund übertragen wird.

Demgegenüber nimmt der Steuerschieber des Wegeventils nach der DE 10 2013 103 685 A1 keinen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Steuerkolben auf. Der Steuerschieber ist in diesem Fall verschiebbar auf einem sogenannten Rastierelement angeordnet, das sich beidseitig jeweils an einem Boden eines Ventilgehäuses abstützt. Durch den einen Boden und durch die Aufnahmebohrung wird ein Steuerraum begrenzt. Der Steuerschieber ist, wie bereits dargelegt, an seinem dem Steuerraum zugewandten Ende kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass in einer Grundstellung des Steuerschiebers, in der dieser an dem Boden anliegt, ein äußerer ringförmiger Teil des Steuerraums erhalten bleibt, wodurch ein Druckaufbau im Steuerraum über eine radiale Druckleitung ermöglicht wird. Dabei ist aber eine stufenweise Beaufschlagung des Steuerschiebers mit unterschiedlichen Steuerdrücken nicht vorgesehen, denn die entsprechende Ausbildung der Stirnfläche des Steuerschiebers dient nur dazu, dass diese bei einer Druckbeaufschlagung vom Boden abhebt. Außerdem liegt das Ende der Rückstellfeder unmittelbar an einer kreisringförmigen Stirnseite des Steuerkolbens an, so dass die zuvor erläuterten Nachteile auftreten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Steuerschieber ist topfförmig ausgebildet sein, wobei von dem die Stirnseiten bildenden kreisförmigen Boden einerseits der Steuerkolben ausgeht und andererseits an diesem die Rückstellfeder punktuell über das Übertragungselement abgestützt ist. Dabei kann das zumindest abschnittsweise an die kreisförmige Fläche angepasste Übertragungselement mittig mit einem in axialer Richtung vorspringenden Ansatz versehen sein. Ein hohlzylindrischer Abschnitt des Steuerschiebers nimmt dabei das Übertragungselement auf. Außerdem kann das Übertragungselement topfförmig ausgebildet sein, wobei ein hohlzylindrischer Abschnitt des topfförmigen Übertragungselements das entsprechende Ende der Rückstellfeder aufnimmt.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der in axialer Richtung vorspringende Ansatz durch ei- nen spanlosen Umformprozess bei der Herstellung des Übertragungselements an dessen Boden ausgeformt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, den Ansatz, der zylindrisch oder kegelstumpfförmig verläuft, durch einen Fließpressvorgang herzustellen. Alternativ dazu kann der Boden auch derart verformt werden, dass ein balliger Ansatz entsteht.

Außerdem kann die Außenmantelfläche des Steuerkolbens einen gekrümmten Verlauf aufweisen, während die Dichtfläche des Ventilsitzes mit einem Radius ausgebildet sein. Dadurch ist eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche des Steuerkolbens ballig ausgebildet. Da auch die Dichtfläche des Ventilsitzes mit einem Radius verläuft, ergibt sich ein Linienkontakt zwischen den beiden aneinander anliegenden Bauteilen. Der Ventilsitz kann aber auch eben, also kegelförmig verlaufen. Der mit dem Steuerschieber verbundene Steuerkolben weist insgesamt eine zylindrische oder kegelstumpfartige Außenkontur auf, wobei die kreisförmige Steuerfläche des Steuerkolbens in der Grundstellung des Steuerschiebers eine Lage innerhalb des Steuer- raums einnimmt.

Weiterhin kann in der kreisringförmigen Stirnseite, die den Steuerkolben radial umgibt, am Übergang in den Steuerkolben eine ringförmige Nut vorgesehen sein, welche einen in axialer Richtung wirkenden Dichtring aufnimmt. Dieser aus einem elastischen Werkstoff hergestellte Dichtring soll mit einem Ventilsitz zusammenwirken, der vorzugsweise eine ballige Ventilsitzfläche aufweist. Das Wegeventil kann ein die Aufnahmebohrung bildendes Ventilgehäuse aufweisen, wobei in diesem auch der Steuerraum vorgesehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Aufnahmebohrung unmittelbar in dem das Wegeventil aufnehmenden Bauteil vorzusehen, welches beispielsweise ein Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftma- schine sein kann. Als weiter Lösung wir vorgeschlagen, das Ventilgehäuse als Einpresshülse auszubilden, die in eine Sackbohrung eines das Wegeventil aufnehmenden Bauteils angeordnet ist. Die Sackbohrung ist dann als Stufenbohrung ausgeführt und weist an ihrem Ende den Steuerraum auf.

Schließlich ist vorgesehen, das Wegeventil in einer Aufnahmebohrung eines Pleuels anzuordnen, wobei es zur Steuerung zweier mit einem Verstellelement zusammenwirkenden Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dient. Dabei ist das Verstellelement durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich in Stützzylindern geführte einfachwirkende Stellkolben, die gemeinsam mit den Stützzylindern jeweils einen Druckraum bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, und wobei über das Wegeventil wahlweise Ölrücklaufleitungen, die jeweils von den Druck- räumen ausgehen, druckentlastbar sind.

Durch die erfindungsgemäße Anbindung des Steuerkolbens an den Steuerschieber ist dieses Bauelement des Wegeventils an seiner dem Steueranschluss zugewandten Stirnseite stufenartig ausgebildet. Der Steuerschieber wird in seiner Grundstellung zu- nächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche, d.h., an der kreisförmigen Steuerfläche des Steuerkolbens und nach einer vorgegebenen Stellbewegung sowohl an dieser als auch an einer kreisringförmigen Fläche des Steuerschiebers mit hydraulischem Druck beaufschlagt. In der Grundstellung des Steuerschiebers, in welcher dieser den mit der einen Ölrücklaufleitung verbundenen Nutzanschluss öffnet, liegt dessen stufenartige Stirnseite an einem axial wirkenden Anschlag an. In diesem Zu- stand herrscht in der Olzulaufleitung und somit am Steueranschluss ein Druck der Hydraulikflüssigkeit, die unterhalb eines Grenzdruckes liegt.

Dabei wird der Druck in der Olzulaufleitung, beispielsweise durch eine als Verstell- pumpe ausgebildete Ölpumpe moduliert. Dadurch wird erreicht, dass der Steuerschieber des Wegeventils in eine seiner Schaltstellungen bewegt wird. In diesen Schaltstellungen ist jeweils einer der Druckräume druckentlastet, so dass sich der betreffende Stellkolben durch die Triebwerkskräfte in seine eingefahrene Stellung bewegen kann. In der ersten Schaltstellung, die als Grundstellung angesehen werden kann und in der sich der Steuerschieber bei niedrigem Betätigungsdruck befindet, gibt der Steuerschieber den Anschluss der einen Ölrücklaufleitung frei, bei maximaler Verschiebung, also hohem Betätigungsdruck, wird der Steuerschieber in seine zweite Schaltstellung bewegt und gibt in dieser den Anschluss die andere Ölrücklaufleitung frei.

Dabei ist über den Steuerschieber in einer Schaltstellung eine der Ölrücklaufleitungen mit dem Steueranschluss verbunden, während in der anderen Schaltstellung des Steuerschiebers die andere Ölrücklaufleitung mit einem Tankanschluss verbunden ist, oder dass über den Steuerschieber beide Ölrücklaufleitungen abwechselnd mit dem Steueranschluss verbunden werden. In letzterem Fall wird das abgeführte Druckmittel stets der Steuerleitung zugeführt. Zu diesem Zweck kann innerhalb des Steuerschiebers oder des Ventilgehäuses ein Verbindungskanal vorgesehen sein.

Im Rahmen dieser Betätigung des Steuerschiebers erfolgt zunächst eine Druckbeauf- schlagung an der Steuerfläche des als Sperrventil wirkenden Steuerkolbens. Dieser hebt vom Ventilsitz ab, so dass das Druckmittel in die Aufnahmebohrung des Wegeventils gelangt und zusätzlich eine Ringfläche des Steuerschiebers beaufschlagt. Daher kann der Betätigungsdruck reduziert werden, ohne dass der Umschaltvorgang unterbrochen wird. Der Steuerschieber wird anschließend mit diesem verringerten Steu- erdrück in dieser Schaltstellung gehalten.

Wenn, wie vorgesehen, das Druckmittel über das Wegeventil aus einer entsprechenden Ölrücklaufleitung in die Steuerleitung abgeführt wird, kann verhindert werden, dass ein relativ hoher Druck in der Steuerleitung das Ausströmen des Hydrauliköles aus dem entsprechenden Führungszylinder behindert. Die Vorteile der Ölrückführung aus der Ölrücklaufleitung in die Ölzulaufleitung liegen darin, dass die Ölpumpe mit geringerer Leistung ausgeführt werden kann und der Schmieröldruck im Pleuellager durch das Abströmen des Schmieröls in die Ölwanne nicht auf ungünstige Werte verringert wird. Außerdem muss die Verstellpumpe in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils nicht ständig mit einem hohen Fördervolumen betrieben werden.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängi- gen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 im Längsschnitt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wegeventil in seiner ersten Schaltstellung,

Figur 2 im Längsschnitt das Wegeventil nach Figur 1 in seiner zweiten Schaltstellung

Figur 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung eines in einer Einpressshülse längsverschiebbar angeordneten Steuerschiebers entsprechend der Anordnung nach Figur 1 ,

Figur 4 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform eines in der Anordnung nach den Figuren 1 und 2 verwendeten Übertragungselements, Figur 5 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines Übertragungselements,

Figur 6 im Längsschnitt eine dritte Ausführungsform eines Übertragungselements,

Figur 7 als Einzelteil eine Rückstellfeder in einer perspektivischen Darstellung,

Figur 8 einen Querschnitt durch einen endseitigen Anlagefeder der Rückstellfeder, Figur 9 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem

Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, und Figur 10 einen Hydraulikplan mit dem in diesem angeordneten Wegeventil sowie mit in Stützzylindern geführten Stellkolben, die mit dem Verstellelement nach Figur 9 zusammenwirken.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren 1 und 2 ist mit 1 ein Wegeventil bezeichnet, das sich gemäß der Figur 1 in einer ersten Schaltstellung und gemäß der Figur 2 in seiner zweiten Schaltstellung befindet. Das Wegeventil 1 weist eine als Außengehäuse 2 dienende hohlzylindrische Einpresshülse 3 auf, die in eine Sackbohrung 4 eines Bauteils 5 eingepresst ist. Die Einpresshülse 3 weist eine Innenmantelfläche 6 auf, die als Aufnahmebohrung 6a eines Steuerschiebers 7 dient und an welcher der Steuerschieber 7 verschiebbar geführt ist. Weiterhin ist die Einpresshülse 3 mit radial verlaufenden Arbeitsanschlüssen 8 und 9 versehen, deren Verbindung mit hydraulischen Stellzylindern nachfolgend noch im Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 beschrieben werden wird.

Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, ist die Sackbohrung 4 als Stufenbohrung ausgebildet, so dass sich an die Einpresshülse 3 in axialer Richtung ein mit geringerem Innendurchmesser ausgeführter zylindrischer Steuerraum 10, der in dem Bauteil 5 ausgebildet ist, anschließt. An diesen Steuerraum 10 ist ein Steueranschluss 1 1 an- geschlossen. Der in der Einpresshülse 3 längsverschiebbar angeordnete Steuerschieber 7 ist topfförmig ausgeführt und an einer ersten Stirnseite 12 mit einem konzentrisch zum Steuerschieber 7 verlaufenden Steuerkolben 13 versehen, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Steuerschiebers 7. Im Üb- rigen kann der Steuerkolben 13 bei einer axialen Verschiebung des Steuerschiebers 7, die mit der Kraft einer Rückstellfeder 14 erfolgt, aufgrund seiner radialen Abmessung in den Steuerraum 10 bewegt werden.

Die Rückstellfeder 14 ist an einem Bodenblech 15 abgestützt, das mittels eines See- geringes 16 im endseitigen Abschnitt 17 der Einpresshülse 3 fixiert ist. Der Steuerschieber 7, der, wie bereits dargelegt, topfförmig ausgebildet ist, weist einen hohlzylindrischen Abschnitt 18 sowie einen Boden 19 auf, von dem zentrisch der Steuerkolben 13 ausgeht. An einer zweiten vom Steuerkolben 13 abgewandten Stirnseite 20 des Bodens 19 liegt mittels eines zentrischen, in axialer Richtung vorragenden Ansat- zes 21 ein Übertragungselement 22 an, das ebenfalls topfförmig gestaltet ist. Mittig eines kreisförmigen Bodens 23 dieses Übertragungselements 22 befindet sich der Ansatz 21 , während an der vom Ansatz 21 abgewandten Fläche des Bodens 23 die Rückstellfeder 14 abgestützt ist. Der Steuerschieber 7 weist Steuerkanten 24 und 25 auf, die jeweils mit den Arbeitsanschlüssen 8 und 9 zusammenwirken. In der Figur 1 ist der Steuerschieber 7 in einer Position, in der die Steuerkante 24 den Arbeitsanschluss 8 freigibt, so dass das Druckmittel aus diesem über eine Abiaufbohrung 26, die im Bodenblech 15 vorgesehen ist, abfließen kann. Die zweite Steuerkante 25 begrenzt die erste Stirnseite 12, die mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. In der Figur 2 ist der Steuerschieber 7 durch die Beaufschlagung mit dem Steuerdruck soweit innerhalb der Einpresshülse 3 verschoben, dass die Steuerkante 25 den Arbeitsanschluss 9 freigibt. Dadurch kann das Druckmittel aus diesem in den Steueranschluss 1 1 strömen. Wie weiterhin den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, weist die erste Stirnseite 12 im Bereich ihres Über- gangs in den Steuerkolben 13 eine diesen umschließende Ringnut 27 auf, die einen Dichtring 28 aufnimmt. In der Figur 1 liegt der Dichtring 28 dichtend an einem Ventilsitz 29 an, der am Ende des zylindrischen Steuerraums 10 vorgesehen ist und eine ballige Ventilsitzfläche 30 aufweist. Mittels der vorstehend beschriebenen Gestaltung des Steuerschiebers 7 mit dem von diesem zentrisch ausgehenden Steuerkolben 13, dem Steuerraum 10 und dem Dichtring 28 wird erreicht, dass während einer ersten Phase der Verschiebung des Steuer- Schiebers 7 gemäß den Figuren 1 und 3 nur eine reduzierte Stirnfläche, nämlich die des Steuerkolbens 13 mit Druck beaufschlagt wird und dass sich daran eine Phase anschließt, in der die gesamte erste Stirnseite 12 des Steuerkolbens 13, nämlich seine kreisringförmige Fläche und die Stirnfläche des Steuerkolbens 13 beaufschlagt werden (siehe Figur 2).

Für diese Funktion ist es von Bedeutung, dass der Dichtring 28 seine Dichtfunktion absolut zuverlässig erfüllt. Da bei einer unmittelbaren Anlage der Rückstellfeder 14 an der zweiten Stirnseite 20 der Steuerschieber 7 über die Rückstellfeder 14 ungleichmäßig belastet wird, tritt auch eine ungleichmäßige Anpressung des Dichtringes 28 auf, was Leckagen zur Folge hat. Aus diesem Grund ist das mit dem Ansatz 21 versehene Übertragungselement 22 vorgesehen, das die Kraft der Rückstellfeder 14 mittig in den Steuerschieber 7 einleitet.

Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Übertra- gungselements 22. Nach der Figur 4 weist dieses einen Ansatz 21 auf, der, im Längsschnitt gesehen, etwa kegelstumpfformig gestaltet ist. Demgegenüber ist der Ansatz 21 nach der Figur 5 mit einer sphärischen Geometrie versehen. Diese beiden Ansätze 21 können beispielsweise durch ein Fleißpressverfahren hergestellt werden. Schließlich zeigt die Figur 6 einen Ansatz 21 , der durch eine ballige Ausformung des Bodens 23 hergestellt ist.

In der Figur 7 ist die als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder 14 als Einzelteil dargestellt. Es ist erkennbar, dass ein Anlagebereich dieser Schraubenfeder durch eine auslaufende Windung 31 gebildet wird. Diese ist im Querschnitt in der Figur 8 darge- stellt. Die auslaufende Windung 31 würde mit einer schraffierten Fläche 32 dieses Anlagebereichs an der zweiten Stirnseite 20 des Steuerschiebers 7 anliegen, wenn kein Übertragungselement 22 zur Anwendung käme, und damit käme es zu einer ungleichmäßigen Anpressung des Dichtringes 28 am Ventilsitz 29. Das wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Übertragungselements 22 vermieden. Figur 9 ist mit 33 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschi- ne bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 34 und einem Pleuelunterteil 35 besteht. Das Pleueloberteil 34 und das Pleuelunterteil 35 bilden gemeinsam ein Pleuellager- auge 36, über welches das Pleuel 33 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 34 mit einem Pleuelauge 37 versehen, in welchem über ein als Exzenter 38 ausgebildetes Verstellelement 39 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 40 angeordnet ist.

Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 40 ist ein Arbeitskolben 41 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 39 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.

Der Exzenter 38 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 33 einerseits und dem Kolbenbolzen 40 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 38 weist diametral verlaufende Laschen 42 und 43 auf, die jeweils über Kolbenstangen 44 und 45 mit einfachwirkenden Stellkolben 46 und 47 verbunden sind. Die Stellkolben 46 und 47 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 38 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 46 und 47 die Drehbewegung des Exzenters 38 unterstützt und seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 38 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden. Die Stellkolben 46 und 47 sind in Stützzylindern 48 und 49 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 50 und 51 , in die als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 36 angeordneten Pleuellager 52 über Ölzulaufleitungen 53 und 54 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 50 und 51 eine Ölrücklaufleitung 55 bzw. 56 aus, die, wie aus der Figur 9 hervorgeht, beide in eine Ventilaufnahnnebohrung 57 für das im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschriebene Wegeventil 1 einmünden. Von dem Pleuellager 52 führt außerdem eine Steuerleitung 58, deren Funktion nachfolgend noch erläutert wird, zu der Ventilaufnahmebohrung 57.

Aus dem Hydraulikplan der Figur 10 geht die Verbindung des durch ein hydraulisches Schaltsymbol als 4/2-Wegeventil dargestellten Wegeventils 1 mit den Ölrücklauflei- tungen 55 und 56, einer drucklosen Tankleitung 59, die in eine Ölwanne der Hubkol- benbrennkraftmaschine führt, sowie der Steuerleitung 58 hervor. Eine in ihrem För- dervolumen verstellbare Hydraulikpumpe 60 fördert danach das als Hydraulikflüssigkeit dienende Schmieröl über eine Ölgalerie 61 in das Pleuellager 52, das in der schematischen Darstellung als deren Verbindung mit den beiden Ölzulaufleitungen 55 und 56 dargestellt ist. In jeder der Ölzulaufleitungen 53 und 54 ist ein Rückschlagventil 62 bzw. 63 angeordnet, so dass das Ölvolumen, das sich in den Druckräumen 50 und 51 der beiden Stützzylinder 48 und 49 befindet, aus diesen nur über die jeweilige Ölrücklaufleitung 55 oder 56, die über das Wegeventil 1 gesteuert werden, austreten kann. Wie weiterhin aus der Figur 10 hervorgeht, ist das Wegeventil 1 hydraulisch über den Druck der Ölgalerie 61 bzw. der Ölzulaufleitungen 53 und 54 betätigt. Wie bereits dargelegt, soll die Steuerleitung 58, über die die hydraulische Betätigung erfolgt, vorzugsweise im Pleuellager 52 von der Ölgalerie 61 bzw. von den Ölzulaufleitungen 53 und 54 abzweigen. Das Symbol für die hydraulische Betätigung lässt erkennen, dass in einer ersten Phase der Verschiebung des Wegeventils 1 nur eine reduzierte Stirnfläche, nämliche die Stirnfläche des Steuerkolbens 13 mit Druck beaufschlagt wird und dass sich daran eine durch einen Leitungszweig gekennzeichnete Phase anschließt, in der die gesamte Stirnfläche, also neben der Stirnfläche des Steuerkolbens 13 auch die kreisringförmi- ge Stirnseite 12 des Steuerschiebers 7 beaufschlagt wird. In einer ersten Schaltstellung des Wegeventils 1 , in der es sich gemäß der Figur 10 befindet, wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum 50 über die Ölrücklaufleitung 55 in die Tankleitung 59 geleitet, wobei die andere Ölrücklaufleitung 56 gesperrt ist, so dass der Stellkolben 46 in den Stützzylinder 48 einfahren kann. In der zweiten Schaltstellung des Wegeventils 1 nach dessen Längsverschiebung gegen die Kraft der Rückstellfeder 14 ist die andere Ölrücklaufleitung 54 mit der Steuerleitung 58 und somit mit dem aus der Ölgalerie 61 und den Olzulaufleitungen 53 und 54 bestehenden Leitungszweig verbunden, während die Ölrücklaufleitung 55 gesperrt ist. Daher kann in diesem Fall der Stellkolben 47 in den Stützzylinder 49 einfahren.

Bezugszeichenliste

1 Wegeventil

2 Außengehäuse

3 Einpresshülse

4 Sackbohrung

5 Bauteil

6 Innenmantelfläche von 3

6a Aufnahmebohrung

7 Steuerschieber

8 Arbeitsanschluss

9 Arbeitsanschluss

10 zylindrischer Steuerraum

1 1 Steueranschluss

12 erste Stirnseite von 7

13 Steuerkolben

14 Rückstellfeder

15 Bodenblech

16 Seegering

17 endseitiger Abschnitt von 3

18 hohlzylindrischer Abschnitt von 7

19 Boden von 7

20 zweite Stirnseite von 7

21 Ansatz

22 Übertragungselement

23 Boden von 22

24 Steuerkante

25 Steuerkante

26 Abiaufbohrung

27 Ringnut

28 Dichtring

29 Ventilsitz

30 Ventilsitzfläche 31 auslaufende Windung von 14

32 schraffierte Fläche

33 Pleuel

34 Pleueloberteil

35 Pleuelunterteil

36 Pleuellagerauge

37 Pleuelauge

38 Exzenter

39 Verstellelement

40 Kolbenbolzen

41 Arbeitskolben

42 Lasche

43 Lasche

44 Kolbenstange

45 Kolbenstange

46 Stellkolben

47 Stellkolben

48 Stützzylinder

49 Stützzylinder

50 Druckraum

51 Druckraum

52 Pleuellager

53 Ölzulaufleitung

54 Ölzulaufleitung

55 Ölrücklaufleitung

56 Ölrücklaufleitung

57 Aufnahmebohrung

58 Steuerleitung

59 Tankleitung

60 Hydraulikpumpe

61 Ölgalerie

62 Rückschlagventil

63 Rückschlagventil

Claims

Patentansprüche

1 . Wegeventil (1 ) mit einem in einer zylindrischen Aufnahmebohrung (6a) verschiebbar angeordneten, hydraulisch betätigbaren Steuerschieber (7), der zumindest einen mit Steuerkanten (24 und 25) versehenen Ventilkolben aufweist und durch eine Druckmittelbeaufschlagung an einer ersten Stirnseite (12), welche über einen mit einem Steueranschluss (1 1 ) verbundenen Steuerraum (10) erfolgt, entgegen der Kraft einer an einer zweiten Stirnseite (20) angreifenden Rückstellfeder (14) betätigbar ist, wobei in zumindest einer der Schaltstellungen des Wegeventils (1 ) über den Steuerschieber (7) ein Arbeitsanschluss (8) mit dem Steuerraum (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (10) sich gleichachsig zur Aufnahmebohrung (6a) erstreckt und in seinem Bohrungsdurchmesser gegenüber dem der Aufnahmebohrung (6a) reduziert ist, wobei an dessen der Aufnahmebohrung (6a) zugewandten Ende ein Ventilsitz (29) ausgebildet ist, dass der Steuerschieber (7) an seiner mit dem Steuerdruck beaufschlagten Stirnseite (12) einen gegenüber dem zumindest einen Ventilkolben im Durchmesser reduzierten Steuerkolben (13) aufnimmt, der zumindest abschnittsweise in den Steuerraum (10) bewegbar ist, wobei ein an dem Steuerschieber (7) und/oder dem Steuerkolben (13) vorgesehenes Dichtmittel (28) dichtend mit dem Ventilsitz (29) zusammenwirkt, derart, dass der Steuerschieber (7), ausgehend von einer ersten Schaltstellung zunächst an einer im Querschnitt reduzierten Steuerfläche und nach einer vorgegebenen Stellbewegung am gesamten stirnseitigen Querschnitt mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird, und dass zwischen dem der zweiten Stirnseite (20) des Steuerkolbens (7) zugewandten Ende der Rückstellfeder (14) und dieser Stirnseite (20) ein Übertragungselement (22) angeordnet ist, über welches die Federkraft ausschließlich über einen mittigen Angriffspunkt auf den Steuerschieber (7) übertragen wird.

2. Wegeventil nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (7) zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei der hohlzylindrische Abschnitt (18) durch die zweite Stirnseite (20), die als kreisförmige Fläche ausgeführt ist, gebildet wird, und dass das zumindest abschnittsweise an die kreisförmige Fläche angepasste Übertragungselement (22) mittig mit einem in axialer Richtung vorspringenden Ansatz (21 ) versehen ist.

3. Wegeventil nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (22) topfformig ausgebildet ist, wobei ein hohlzylindrischer Abschnitt des topfförmigen Übertragungselements das entsprechende Ende der Rückstellfeder (14) aufnimmt.

4. Wegeventil nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in axialer Richtung vorspringende Ansatz (21 ) durch einen spanlosen Umformprozess bei der Herstellung des Übertragungselements (22) an dessen Boden (23) ausgeformt wird.

5. Wegeventil nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der den Steuerkolben (13) radial umgebenden kreisringförmigen Stirnseite (12) am Übergang in den Steuerkolben (13) eine Ringnut (27) vorgesehen ist, welche einen in axialer Richtung wirkenden Dichtring (28) aufnimmt.

6. Wegeventil nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche des Steuerkolbens (13) zumindest abschnittsweise einen gekrümmten Verlauf aufweist und dass die Dichtfläche des Ventilsitzes (29) mit einem Radius ausgebildet ist.

7. Wegeventil nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (1 ) ein Ventilgehäuse aufweist, das als Einpresshülse (3) ausgebildet ist, die in eine Sackbohrung (4) eines das Wegeventil (1 ) aufnehmenden Bauteils (5) angeordnet ist.

8. Wegeventil nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (1 ) in einer Ventilaufnahmebohrung (57) eines Pleuels (33) angeordnet ist und zur Steuerung zweier mit einem Verstellelement (39) zusammenwirkenden Stellkolben (46 und 47) für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dient, wobei das Verstellelement (39) durch Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich die in Stützzylindern (48 und 49) geführ- ten einfachwirkenden Stellkolben (46 und 47), die gemeinsam mit den Stützzylindern (48 und 49) jeweils einen Druckraum (50 und 51 ) bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, und dass über das Wegeventil (1 ) wahlweise Öl- rücklaufleitungen (55 oder 56), die jeweils von den Druckräumen (50 und 51 ) ausgehen, druckentlastbar sind.

9. Steuersystem nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Steuerschieber (7) in seiner einen Schaltstellung eine der Ölrücklaufleitungen (55 oder 56) mit dem Steueranschluss (1 1 ) verbunden ist, während in seiner anderen Schaltstellung die andere Ölrücklaufleitung (55 oder 56) mit einem Tankanschluss (59) verbunden ist, oder dass über den Steuerschieber (7) beide Ölrücklaufleitungen (55, 56) abwechselnd mit dem Steueranschluss (1 1 ) verbunden werden.