WO2016203043A1 - Längenverstellbare pleuelstange - Google Patents

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WO2016203043A1
WO2016203043A1 PCT/EP2016/064179 EP2016064179W WO2016203043A1 WO 2016203043 A1 WO2016203043 A1 WO 2016203043A1 EP 2016064179 W EP2016064179 W EP 2016064179W WO 2016203043 A1 WO2016203043 A1 WO 2016203043A1
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connecting rod
rod
valve
chamber
control device
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PCT/EP2016/064179
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French (fr)
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Helmut Melde-Tuczai
Wolfgang Reik
Rolf Dreisbach
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AVL List GmbH
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    • 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
    • F02B75/045—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable connecting rod length
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/01—Locking-valves or other detent i.e. load-holding devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/06—Adjustable connecting-rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/06—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements
    • F16K11/065—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with linearly sliding closure members
    • F16K11/07—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with linearly sliding closure members with cylindrical slides

Definitions

  • the invention relates to a length-adjustable connecting rod for a reciprocating engine, with at least a first rod part and a second rod part, which two rod parts by an actuating medium telescopically zoom in and / or into each other, wherein the displacement of the rod parts by a hydraulic control device is controllable, which at least a displaceably mounted in the direction of a displacement axis part, wherein the displacement axis in a rocking plane of the connecting rod - preferably normal to the longitudinal axis of the connecting rod - is arranged.
  • the AT 51 1,803 B1 describes a length-displaceable connecting rod for an internal combustion engine with two telescopically movable rod parts, between the first and second rod part a high-pressure chamber is spanned, in which an oil passage opens, the flow is controlled by a control valve designed as a control device , Furthermore, from AT 514 071 B1 a telescopically adjustable connecting rod is known, wherein a rod part form a guide cylinder and another rod part of the connecting rod a longitudinally displaceable in the guide cylinder piston member, wherein between the piston member and the guide cylinder on one side of the piston, a first high-pressure chamber and on the On the other side of the piston, a second high-pressure chamber are clamped, open into which oil passages whose flow is controlled by means of a displaceable against the force of a return spring spool. Both in the AT 51 1.803 B and in the AT 514.071 B, the spool is located near the crankpin bearing in the rod end portion of the connecting rod
  • the object of the invention is to expand the field of application and to provide a length-adjustable connecting rod, which is also suitable for higher speeds. According to the invention, this is achieved in that at least one displaceably mounted part, in particular reciprocating part, of the control device has at least one buoyant body or is at least partially designed as a buoyant body.
  • the float floating in the oil has a lower density than the actuating oil, such as engine oil. It can be designed as a hollow body or as a closed-cell foam body, for example made of polystyrene.
  • At least one reciprocating part of the control device is formed by a control piston or spool displaceably mounted in a cylinder, whose first end face adjoin a control chamber which can be acted upon with oil and whose second end side adjoin a spring space having a return spring.
  • at least one buoyant body is arranged in the region of the first end face and / or in the region of the second end face of the control piston.
  • a substantial reduction in the accelerated mass can be achieved, in particular, when a buoyant body is arranged both in the region of the first end face and in the region of the second end face adjoining the spring chamber.
  • the spring chamber is flooded with the oil. This can be achieved with very little effort if the control piston between the control chamber and the spring chamber has a defined leakage, wherein preferably the spring chamber is fluidly connected to a storage space, which may be arranged for example in the same rod part of the connecting rod as the control device.
  • the spring chamber of the control piston or spool is thus always filled with the oil, as always enough oil from the storage space and / or can be sucked through the leaks by the reciprocating movements of the control piston or spool.
  • the throttle allows damping of the movement of the control piston or the Spool, whereby this is less sensitive to any returning pressure waves.
  • the control device comprises a first valve and a second valve, each having a valve body arranged in a valve body, which is pressed by a restoring force against a valve seat, and at least one reciprocating part by a the valve body is formed with one another connecting and displaceable between a first position and a second position connecting rod, wherein preferably the connecting rod has at least one buoyancy body or at least partially formed as a buoyant body.
  • the connecting rod may for example be hollow and thus form a buoyant body itself.
  • at least one valve body has at least one buoyancy body or is at least partially designed as a buoyancy body.
  • FIG. 1 shows a connecting rod according to the invention in a longitudinal section in a first embodiment
  • FIG. 3 shows the control device of the connecting rod of FIG. 1 in a detailed representation
  • FIG. 4 shows a control device of a connecting rod according to the invention in a second embodiment variant.
  • Fig. 1 shows a two-part connecting rod 1 with a small connecting rod 2 for a not further shown piston pin bearing and a large connecting rod 3 for a not further shown crank pin bearing an internal combustion engine.
  • the rotational symmetry axes of the small or large connecting rod 2, 3 are denoted by 2a and 3a, respectively.
  • the longitudinal axis of the connecting rod 1 is 1 a, one on the rotational symmetry axes 2 a and 3 a of the small and large connecting rod 2, 3 normal standing and the longitudinal axis 1 a of the connecting rod 1-containing longitudinal center plane - the swing plane - the connecting rod 1 is denoted by ⁇ .
  • the connecting rod 1 has an upper first rod portion 4 with the small connecting rod 2 and a lower second rod portion 5 with the large connecting rod 3.
  • the first rod part 4 is adjustable relative to the second rod part 5 between an extended position and an inserted position shown in Fig. 1 by an adjustment range AL in the direction of the longitudinal axis 1 a of the connecting rod 1.
  • a substantially cylindrical piston element 6 is fastened, for example, with a fastening screw 7 formed by a hexagon socket screw.
  • the piston element 6 is guided in an axially displaceable manner in a guide cylinder 8 of the lower second rod part 5 of the connecting rod 1, wherein between at least one position of the two rod parts 4, 5, a first end face 6a of the piston element 6 and the second rod part 5 facing the large connecting rod eye 3 first high-pressure chamber 9 is clamped.
  • the piston element 6 designed as a stepped piston has a second end face 6b facing the small connecting rod eye 2, which adjoins a second high-pressure chamber 10 whose cylindrical lateral surface is formed by the guide cylinder 8 of the second rod part 5.
  • a piston - in the present case a "double-acting piston" - with different sized effective surfaces, one of the active surfaces (here: oriented against the second high pressure chamber 10 effective area) as an annular surface and the other effective surface formed as a circular area is. Due to the different effective surfaces, the pressure conditions described here can be realized.
  • the annular first and second end faces 6a, 6b form pressure application surfaces for an actuating medium, for example engine oil, which is led into the high-pressure chambers 9, 10 and is under pressure.
  • an actuating medium for example engine oil
  • a first oil passage 1 1 and in the second high-pressure chamber 10 opens.
  • a control device 16 in the connecting rod 1, in the lower second rod member 5, is provided which in the flow path between the first connecting channel 14 and the first oil passage 1 1, a first valve 17th with a first valve chamber 18, in which a biased by a first valve spring 19 first valve body 20 is pressed against a first valve seat 21.
  • the first oil channel 1 1 opens.
  • the control device 16 has a second valve 22 with a second valve chamber 23, in which a biased by a second valve spring 24 second valve body 25 is pressed against a second valve seat 26, wherein the second oil passage 12 opens into the second valve chamber 23.
  • control device 16 has a connecting device 27 between the first valve 17 and the second valve 22 with at least one connecting element 28, which is formed in the embodiments by a normal to the longitudinal axis 1 a, in particular in the swing plane ⁇ of the connecting rod 1 connecting rod 29 ,
  • the connecting element 28 is fixedly connected to a control piston 31 displaceable in a control cylinder 30.
  • the spring-loaded by a return spring 32 control piston 31 is adjacent to a control chamber 33 into which a connected to the oil supply channel 13 and the connecting channel 15 control line 34 opens.
  • the valve body 20 or 25 and the connecting device 27 are separate components. As a result, the connecting device 27 is at a distance from the first valve body 20 in the displacement position shown in FIG.
  • the first and second valve bodies 20, 25 of the first and second valves 17, 23 are preferably formed by balls.
  • valve body 20, 25 of the first and second valves 17, 23 By the valve body 20, 25 of the first and second valves 17, 23, the flow connections between the first supply channel 14 and the first oil channel 1 1 and between the second supply channel 15 and the second oil channel 12 are opened or closed.
  • the existing example of plastic control piston 31 is actuated by the oil pressure of the internal combustion engine. If the oil pressure - for example, at light load - under a defined set pressure (of, for example, 0.8 bar) is maintained, the control piston 31 stops in its position shown in Fig.
  • the connecting rod 29 presses the first valve body 20 of the first valve 17, which connects the lower first high-pressure chamber 9 with the oil supply channel 13. This allows the oil from the first high-pressure chamber 9 to flow back into the oil supply channel 13 and thus further into the oil supply system. Since the connecting rod 29 is lifted from the second valve body 25 and thus the second valve body 25 is pressed by the restoring force of the second valve spring 24 to the second valve seat 26, the second valve 22 is closed; at each ignition, the piston 6 is depressed and sucked oil into the second high-pressure chamber 10 by the suction in the second high-pressure chamber 10 via the actually closed second valve 22 by the opposite of the force of the second valve spring 24 contrasting second valve body 25 to the second high-pressure chamber 10 with oil is filled.
  • the control device 16 has a number of in the direction of the displacement axis 16 a of the control device 16 reciprocating parts, such as control piston 31, connecting rod 29 and valve body 20, 25.
  • the displacement axis 16a of the control device is arranged in the rocker plane ⁇ and approximately normal to the longitudinal axis 1 a of the connecting rod 1.
  • At least one reciprocating part of the control device 16 has at least one buoyancy body 60 or is at least partially designed as a buoyancy body.
  • the buoyant body 60 may be formed as a hollow body or as a closed-cell foam body.
  • At least one buoyant body 60 may be arranged in the region of the first end face 31 a. Furthermore, a buoyancy body 61 can also be arranged in the region of the second end face 31b of the control piston 31. So that the buoyant body 61 floats in the oil, defined leaks are provided between the control chamber 33 and the spring chamber 32a.
  • the connecting rod 29 and / or the valve body 20, 25 may be designed as a buoyant body, for example as a hollow body.
  • the spring chamber 32a is connected to a storage space 62, which is connected via a throttle 63 to the crank chamber of the crankcase, not shown. This allows an oil return in the crankcase space.
  • the spring chamber 32a of the control piston 31 is always filled with oil, since by the reciprocating movements of the control piston 31 always enough oil from the storage space 32 and / or can be sucked through the leaks.
  • the throttle 63 allows damping of the movement of the control piston 16, whereby an opening of the first valve 17 and thus of the first high-pressure chamber 9 can be avoided by a deflection of the control piston 16 and the displacement rod 29 to follow from the second high-pressure chamber 10 returning pressure waves.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the control device 16 instead of the two valves 17, 23 has a control spool formed as a control piston 31 which is slidably disposed in a control cylinder 30 along the displacement axis 16a.
  • the control cylinder 30 is inserted into a stepped bore 65 of the second rod part 5 of the connecting rod 1 in the region of the large connecting rod 3 in the swing plane ⁇ and normal to the longitudinal axis 1 a of the connecting rod 1 and sealed by sealing rings 66.
  • the control piston 31 can be deflected against the force of the return spring 32 disposed in the spring chamber 32a of the control cylinder 30 by the oil pressure applied in the control chamber 33.
  • the control chamber 33 is connected via a control line 34 to the oil supply channel 13.
  • control piston 31 At least one leading to the first high-pressure chamber 9 hole 1 1 a of the first oil passage 1 1 is turned on.
  • the control piston 31 is shown in Fig. 4 in two positions, wherein in the upper illustration of the control piston 31, the bore 1 1 a controlled and turned on in the lower illustration of the control piston 31.
  • the control piston 31 has in the control cylinder 30 a small clearance of, for example, 4 ⁇ , which can be dispensed with wear-intensive seals between moving parts.
  • the control piston 31 also has buoyancy bodies 60, 61, which are firmly connected to the control piston 31, in the second exemplary embodiment shown in FIG.
  • a first buoyancy body 60 adjoining the control chamber 33 is arranged in the region of the first end face 31a and a second buoyancy body 61 adjoining the spring space 32a is arranged in the region of the second end face 31b of the control piston 31.
  • the spring chamber 32a is fluidly connected to a storage space 62, which in turn via a throttle 63 with the not shown crank chamber of the reciprocating engine is connected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange (1) für eine Hubkolbenmaschine, mit zumindest einem ersten Stangenteil (4) und einem zweiten Stangenteil (5), welche beiden Stangenteile (4, 5) durch ein Betätigungsmedium teleskopartig zu- und/oder ineinander verschiebbar sind, wobei die Verschiebung der Stangenteile (4, 5) durch eine mit zumindest einem Hochdruckraum (9, 10) zwischen den beiden Stangenteilen (4, 5) über zumindest einen Ölkanal (11, 12) verbundene hydraulische Steuereinrichtung (16) steuerbar ist, welche zumindest einen in Richtung einer Verschiebeachse (16a) verschiebbar gelagerten Teil aufweist, wobei die Verschiebeachse (16a) in einer Schwingebene (ε) der Pleuelstange (1) - vorzugsweise normal zur Längsachse (1a) der Pleuelstange (1) - angeordnet ist. Um den Einsatzbereich zu erweitern ist vorgesehen, dass zumindest ein hin- und hergehender Teil der Steuereinrichtung (16) zumindest einen Auftriebskörper (60, 61) aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper (60, 61) ausgebildet ist.

Description

Längenverstellbare Pleuelstange
Die Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit zumindest einem ersten Stangenteil und einem zweiten Stangenteil, welche beiden Stangenteile durch ein Betätigungsmedium teleskopartig zu- und/oder ineinander verschiebbar sind, wobei die Verschiebung der Stangenteile durch eine hydraulische Steuereinrichtung steuerbar ist, welche zumindest einen in Richtung einer Verschiebeachse verschiebbar gelagerten Teil aufweist, wobei die Verschiebeachse in einer Schwingebene der Pleuelstange - vorzugsweise normal zur Längsachse der Pleuelstange - angeordnet ist.
Die AT 51 1 .803 B1 beschreibt eine längenverschiebbare Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbare Stangenteile, wobei zwischen dem ersten und den zweiten Stangenteil ein Hochdruckraum aufgespannt ist, in den ein Ölkanal einmündet, dessen Durchfluss über eine als Steuerschieber ausgebildete Steuereinrichtung gesteuert wird. Weiters ist aus der AT 514 071 B1 eine teleskopartig verstellbare Pleuelstange bekannt, wobei ein Stangenteil einen Führungszylinder und ein anderer Stangenteil der Pleuelstange ein im Führungszylinder längsverschiebbares Kolbenelement ausbilden, wobei zwischen dem Kolbenelement und dem Führungszylinder auf einer Seite des Kolbens ein erster Hochdruckraum und auf der anderen Seite des Kolbens eine zweiter Hochdruckraum aufgespannt werden, in welche Ölkanäle einmünden, deren Durchflüsse mittels eines gegen die Kraft einer Rückstellfeder verschiebbaren Steuerschiebers gesteuert werden. Sowohl bei der AT 51 1.803 B, als auch bei der AT 514.071 B ist der Steuerschieber im das große Pleuelauge ausbildenden Stangenteil der Pleuelstange nahe dem Kurbelzapfenlager angeordnet.
Während der Drehung der Kurbelwelle wirken Beschleunigungskräfte auf den Steuerschieber entgegen der Kraft der Rückstellfeder ein. Ab einer gewissen Drehzahl werden die auf den Steuerschieber einwirkenden Massenträgheitskräfte so groß, dass der Steuerschieber alleine durch die Beschleunigungskräfte entgegen der Rückstellkraft verschoben wird, wodurch es zu einem Abheben der Rückstellfeder bzw. des Steuerkolbens kommt. Dies führt zu einer Fehlfunktion der Steuereinrichtung. Daher können diese bekannten Steuereinrichtungen nur bis zu einer definierten Höchstdrehzahl eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Einsatzbereich zu erweitern und eine längenverstellbare Pleuelstange bereitzustellen, welche auch für höhere Drehzahlen geeignet ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein verschiebbar gelagerter Teil, insbesondere hin- und hergehender Teil, der Steuereinrichtung zumindest einen Auftriebskörper aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet ist.
Der im Öl schwimmende Auftriebskörper weist eine geringere Dichte auf, als das betätigende Öl, beispielsweise Motoröl. Er kann als Hohlkörper oder als geschlossenporiger Schaumkörper, beispielsweise aus Polystyrol, ausgebildet sein.
Durch den fest mit dem hin- und hergehenden Teil verbundenen oder integral mit diesem ausgebildeten Auftriebskörper wird die beschleunigte Masse reduziert, wobei das archimedische Prinzip, dass der statische Auftrieb eines Körpers in einem Medium genauso groß ist wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums, zur Anwendung kommt.
Vorzugsweise ist zumindest ein hin- und hergehenden Teil der Steuereinrichtung durch einen in einem Zylinder verschiebbar gelagerten Steuerkolben oder Steuerschieber gebildet, dessen erste Stirnseite an einen mit Öl beaufschlagbaren Steuerraum und dessen zweite Stirnseite an einen eine Rückstellfeder aufweisenden Federraum grenzen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass zumindest ein Auftriebskörper im Bereich der ersten Stirnseite und/oder im Bereich der zweiten Stirnseite des Steuerkolbens angeordnet ist.
Eine wesentliche Reduktion der beschleunigten Masse kann insbesondere dann erreicht werden, wenn sowohl im Bereich der ersten Stirnseite, als auch im Bereich der an den Federraum grenzenden zweiten Stirnseite je ein Auftriebskörper angeordnet ist. Dazu ist es notwendig, dass der Federraum mit dem Öl geflutet wird. Dies lässt sich mit besonders geringem Aufwand erreichen, wenn der Steuerkolben zwischen dem Steuerraum und dem Federraum eine definierte Leckage aufweist, wobei vorzugsweise der Federraum mit einem Speicherraum strömungsverbunden ist, welcher beispielsweise im selben Stangenteil der Pleuelstange wie die Steuereinrichtung angeordnet sein kann.
Wenn der Speicherraum über eine Drossel mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist, lässt sich ein unbehinderter Ölrücklauf in den Kurbelgehäuseraum erreichen.
Somit ist der Federraum des Steuerkolbens bzw. Steuerschiebers ist somit stets mit dem Öl gefüllt, da durch die hin- und her Bewegungen des Steuerkolbens bzw. Steuerschiebers immer genügend Öl aus dem Speicherraum und/oder durch die Leckagen nachgesaugt werden kann. Die Drossel ermöglicht dabei eine Dämpfung der Bewegung des Steuerkolbens bzw. des Steuerschiebers, wodurch dieser weniger empfindlich auf eventuell rücklaufende Druckwellen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ein erstes Ventil und eine zweites Ventil mit jeweils einem in einem Ventilraum angeordneten Ventilkörper aufweist, welcher durch eine Rückstellkraft gegen einen Ventilsitz gepresst wird, und zumindest ein hin- und hergehender Teil durch eine die Ventilkörper miteinander wirkverbindende und zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verschiebbare Verbindungsstange gebildet ist, wobei vorzugsweise die Verbindungsstange zumindest einen Auftriebskörper aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet ist. Dabei kann die Verbindungsstange beispielsweise hohl ausgeführt sein und somit selbst einen Auftriebskörper ausbilden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Ventilkörper zumindest einen Auftriebskörper aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet ist.
All die genannten Maßnahmen tragen dazu bei, dass die Dichte des Gesamtsystems und die Massen, auf welche Querbeschleunigungen zu Folge der Kurbelwellenumdrehung wesentlich reduziert werden. Auf diese Weise lassen sich Motordrehzahlen weit über 7000 U/min realisieren, ohne dass die Funktion der Längenverstellbarkeit der Pleuelstange eingeschränkt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Pleuelstange in einem Längsschnitt in einer ersten Ausführungsvariante,
Fig. 2 die Steuereinrichtung dieser Pleuelstange in einer schematischen Darstellung,
Fig. 3 die Steuereinrichtung der Pleuelstange aus Fig. 1 in einer Detaildarstellung,
Fig. 4 eine Steuereinrichtung einer erfindungsgemäßen Pleuelstange in einer zweiten Ausführungsvariante.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt eine zweigeteilte Pleuelstange 1 mit einem kleinen Pleuelauge 2 für ein nicht weiter dargestelltes Kolbenbolzenlager und einem großen Pleuelauge 3 für ein nicht weiter dargestelltes Kurbelzapfenlager einer Brennkraftmaschine. Die Drehsymmetrieachsen des kleinen bzw. großen Pleuelauges 2, 3 sind mit 2a bzw. 3a bezeichnet. Die Längsachse der Pleuelstange 1 ist mit 1 a, eine auf die Drehsymmetrieachsen 2a und 3a des kleinen und großen Pleuelauges 2, 3 normal stehende und die Längsachse 1 a der Pleuelstange 1 beinhaltende Längsmittelebene - die Schwingebene - der Pleuelstange 1 ist mit ε bezeichnet.
Die Pleuelstange 1 weist einen oberen ersten Stangenteil 4 mit dem kleinen Pleuelauge 2 und einen unteren zweiten Stangenteil 5 mit dem großen Pleuelauge 3 auf. Der erste Stangenteil 4 ist gegenüber dem zweiten Stangenteil 5 zwischen einer ausgezogenen Lage und einer in Fig. 1 dargestellten eingeschobenen Lage um einen Verstellbereich AL in Richtung der Längsachse 1 a der Pleuelstange 1 verstellbar. Im oberen ersten Stangenteil 4 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Kolbenelement 6 beispielsweise mit einer durch eine Innensechskantschraube gebildeten Befestigungsschraube 7 befestigt.
Das Kolbenelement 6 ist in einem Führungszylinder 8 des unteren zweiten Stangenteils 5 der Pleuelstange 1 axial verschiebbar geführt, wobei zwischen einer dem großen Pleuelauge 3 zugewandten ersten Stirnfläche 6a des Kolbenelementes 6 und dem zweiten Stangenteil 5 in zumindest einer Lage der beiden Stangenteile 4, 5 ein erster Hochdruckraum 9 aufgespannt wird. Das als Stufenkolben ausgebildete Kolbenelement 6 weist eine dem kleinen Pleuelauge 2 zugewandte zweite Stirnfläche 6b auf, welche an einen zweiten Hochdruckraum 10 grenzt, dessen zylindrische Mantelfläche vom Führungszylinder 8 des zweiten Stangenteils 5 gebildet wird. Unter einem Stufenkolben wird im Allgemeinen ein Kolben - im vorliegenden Fall ein "zweiseitig wirkender Kolben" - mit unterschiedlich großen Wirkflächen verstanden, wobei eine der Wirkflächen (hier: die gegen den zweiten Hochdruckraum 10 orientierte Wirkfläche) als Ringfläche und die andere Wirkfläche als Kreisfläche ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Wirkflächen lassen sich die hier beschriebenen Druckverhältnisse realisieren.
Die ringförmigen ersten und zweiten Stirnflächen 6a, 6b bilden Druckangriffsflächen für ein in die Hochdruckräume 9, 10 geleitetes und unter Druck stehendes Betätigungsmedium, beispielsweise Motoröl.
In den ersten Hochdruckraum 9 mündet ein erster Ölkanal 1 1 und in den zweiten Hochdruckraum 10 ein zweiter Ölkanal 12 ein. Die Ölversorgung des ersten und zweiten Ölkanals 1 1 , 12 erfolgt über den Ölversorgungskanal 13, welcher vom Pleuellager 3b des großen Pleuelauges 3 ausgeht und somit mit dem nicht weiter dargestellten Kurbelzapfenlager strömungsverbunden ist, sowie mit dem Ölversorgungskanal 13 verbundene Verbindungskanäle 14, 15.
Zur Steuerung der Drücke in den ersten und zweiten Hochdruckräumen 9, 10 ist eine Steuereinrichtung 16 in der Pleuelstange 1 , und zwar im unteren zweiten Stangenteil 5, vorgesehen, welche im Strömungsweg zwischen dem ersten Verbindungskanal 14 und dem ersten Ölkanal 1 1 ein erstes Ventil 17 mit einem ersten Ventilraum 18 aufweist, in welchem ein durch eine erste Ventilfeder 19 vorgespannter erster Ventilkörper 20 gegen einen ersten Ventilsitz 21 gedrückt wird. In den ersten Ventilraum 18 mündet der erste Ölkanal 1 1 ein. Weiters weist die Steuereinrichtung 16 ein zweites Ventil 22 mit einem zweiten Ventilraum 23 auf, in welchem ein durch eine zweite Ventilfeder 24 vorgespannter zweiter Ventilkörper 25 gegen einen zweiten Ventilsitz 26 gedrückt wird, wobei der zweite Ölkanal 12 in den zweiten Ventilraum 23 einmündet. Weiters weist die Steuereinrichtung 16 eine Verbindungseinrichtung 27 zwischen dem ersten Ventil 17 und dem zweiten Ventil 22 mit zumindest einem Verbindungselement 28 auf, welches in den Ausführungsbeispielen durch eine normal zur Längsachse 1 a, insbesondere in der Schwingebene ε der Pleuelstange 1 angeordnete Verbindungsstange 29 gebildet ist. Das Verbindungselement 28 ist fest mit einem in einem Steuerzylinder 30 verschiebbaren Steuerkolben 31 verbunden. Der durch eine Rückstellfeder 32 federbelastete Steuerkolben 31 grenzt an einen Steuerraum 33, in den eine mit dem Ölversorgungskanal 13 bzw. dem Verbindungskanal 15 verbundene Steuerleitung 34 einmündet. Die Ventilkörper 20 bzw. 25 und die Verbindungseinrichtung 27 sind getrennte Bauteile. Dadurch ist die Verbindungseinrichtung 27 in der in Fig. 2 gezeigten Verschiebestellung vom ersten Ventilkörper 20 beabstandet.
Die ersten und zweiten Ventilkörper 20, 25 der ersten und zweiten Ventile 17, 23 werden bevorzugt durch Kugeln gebildet.
Durch die Ventilkörper 20, 25 der ersten und zweiten Ventile 17, 23 werden die Strömungsverbindungen zwischen dem ersten Zuführkanal 14 und dem ersten Ölkanal 1 1 bzw. zwischen dem zweiten Zuführkanal 15 und dem zweiten Ölkanal 12 geöffnet oder verschlossen. Der beispielsweise aus Kunststoff bestehende Steuerkolben 31 wird vom Öldruck der Brennkraftmaschine betätigt. Wenn der Öldruck - beispielsweise bei Leichtlast - unter einem definierten Ansprechdruck (von zum Beispiel 0,8 bar) gehalten wird, bleibt der Steuerkolben 31 in seiner in Fig. 2 dargestellten Stellung stehen, weil die Federkraft der Rückstellfeder 32 größer ist, als die Kraft auf die Stirnfläche des Steuerkolbens 31 zu Folge des Öldruckes in der Steuerleitung 34. In diesem Fall hält die Verbindungsstange 29, die mit dem Steuerkolben 31 fest - beispielsweise durch einen Presssitz - verbunden ist, den Ventilkörper 25 für die Verbindung zum zweiten Hochdruckraum 10 über den zweiten Ölkanal 12 geöffnet, während der erste Ventilkörper 20 des ersten Ventils 17 für die Verbindung zum ersten Hochdruckraum 9 durch die erste Ventilfeder 19 geschlossen bleibt.
Während der Hubbewegung wirkt im Bereich des oberen Totpunktes des nicht weiter dargestellten Kolbens eine Massenkraft auf die Pleuelstange 1 , welche den ersten Stangenteil samt Kolben 6 - in Fig. 1 , 2 betrachtet - und damit das kleine Auge nach oben zieht. Dabei wird Öl über das eigentlich geschlossene erste Ventil 17 angesaugt, indem der erste Ventilkörper 20 durch die im ersten Hochdruckraum 9 entstehende Sogwirkung entgegen der Rückstellkraft der ersten Ventilfeder 19 angehoben wird; der untere erste Hochdruckraum 9 füllt sich dabei über den ersten Ölkanal 1 1 mit Öl, während Öl aus dem oberen zweiten Hochdruckraum 10 in den zweiten Ölkanal 12 gepresst wird. Die Pleuelstange 1 wird dadurch länger. Der Ölfluss in den Ölkanälen 1 1 , 12 ist durch Pfeile in Fig. 2 dargestellt.
Wenn der Öldruck bei höherer Motorlast auf ein höheren Level steigt, wird die Rückstellfeder 32 des Steuerkolbens 31 komprimiert, wobei sich der Steuerkolben 31 bis zu einem linken Anschlag des Steuerzylinders 30 bewegt.
In dieser Stellung drückt die Verbindungsstange 29 den ersten Ventilkörper 20 des ersten Ventils 17 auf, welches den unteren ersten Hochdruckraum 9 mit dem Ölversorgungskanal 13 verbindet. Dadurch kann das Öl aus dem ersten Hochdruckraum 9 in den Ölversorgungskanal 13 und somit weiter ins Ölversorgungssystem zurückfließen. Da die Verbindungsstange 29 vom zweiten Ventilkörper 25 abgehoben ist und somit der zweite Ventilkörper 25 durch die Rückstell kraft der zweiten Ventilfeder 24 auf den zweiten Ventilsitz 26 gepresst ist, ist das zweite Ventil 22 geschlossen; bei jeder Zündung wird der Kolben 6 heruntergedrückt und Öl in den zweiten Hochdruckraum 10 durch die Sogwirkung im zweiten Hochdruckraum 10 über das eigentlich geschlossene zweite Ventil 22 durch den entgegen der Kraft der zweiten Ventilfeder 24 abhebenden zweiten Ventilkörper 25 angesaugt bis der zweite Hochdruckraum 10 mit Öl gefüllt ist. Wenn der Öldruck im Ölsystem wieder gesenkt wird, expandiert die Rückstellfeder 32 des Steuerkolbens 21 (Fig. 2) und der Steuerkolben 31 rückt - in Fig. 2 betrachtet - nach rechts, wobei das zweite Ventil 22 für den zweiten Hochdruckraum 10 geöffnet und das erste Ventil 17 für den ersten Hochdruckraum 9 wieder geschlossen wird. Der erste Hochdruckraum 9 pumpt sich wieder in der beschriebenen Weise durch die auf den zweiten Stangenteil und das Kolbenelement 6 im oberen Totpunkt des Kolbens wirkenden Massenkräfte auf und die Pleuelstange 1 wird wieder länger.
Die Steuereinrichtung 16 weist eine Anzahl an in Richtung der Verschiebeachse 16a der Steuereinrichtung 16 hin- und hergehende Teile, wie Steuerkolben 31 , Verbindungsstange 29 und Ventilkörper 20, 25 auf. Die Verschiebeachse 16a der Steuereinrichtung ist in der Schwingebene ε und etwa normal auf die Längsachse 1 a der Pleuelstange 1 angeordnet.
Während der Drehung der Kurbelwelle wirken Beschleunigungskräfte auf hin- und hergehenden Teile der Steuereinrichtung 16, insbesondere auf den Steuerkolben 31 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 32 ein. Ab einer gewissen Drehzahl werden die auf den Steuerkolben 31 einwirkenden Massenträgheitskräfte so groß, dass schließlich die Kraft der Rückstellfeder 32 überschritten wird und der Steuerkolben 31 alleine durch die Beschleunigungskräfte entgegen der Rückstellkraft verschoben werden würde, was zu einer Fehlfunktion der Steuereinrichtung 16 führen und damit den Drehzahlbereich für die Verstellung der Pleuelstange 1 einschränken würde.
Um dies zu vermeiden, weist zumindest ein hin- und hergehender Teil der Steuereinrichtung 16 zumindest einen Auftriebskörper 60 auf oder ist zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet. Der Auftriebskörper 60 kann als Hohlkörper oder als geschlossenporiger Schaumkörper ausgebildet sein.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, kann zumindest ein Auftriebskörper 60, im Bereich der ersten Stirnseite 31 a angeordnet sein. Weiters kann auch im Bereich der zweiten Stirnseite 31 b des Steuerkolbens 31 ein Auftriebskörper 61 angeordnet sein. Damit der Auftriebskörper 61 im Öl schwimmt, sind zwischen dem Steuerraum 33 und dem Federraum 32a definierte Leckagen vorgesehen.
Weiters können die Verbindungsstange 29 und/oder die Ventilkörper 20, 25 als Auftriebskörper, beispielsweise als Hohlkörper, ausgeführt sein. Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, ist der Federraum 32a mit einem Speicherraum 62 verbunden, welcher über eine Drossel 63 mit dem Kurbelraum des nicht weiter dargestellten Kurbelgehäuse verbunden ist. Dies ermöglicht einen Ölrücklauf in den Kurbelgehäuseraum. Somit ist der Federraum 32a des Steuerkolbens 31 stets mit Öl gefüllt, da durch die hin- und her gehenden Bewegungen des Steuerkolbens 31 immer genügend Öl aus dem Speicherraum 32 und/oder durch die Leckagen nachgesaugt werden kann. Die Drossel 63 ermöglicht dabei eine Dämpfung der Bewegung des Steuerkolbens 16, wodurch ein Öffnen des ersten Ventils 17 und somit des ersten Hochdruckraumes 9 durch eine Auslenkung des Steuerkolbens 16 und der Verschiebestange 29 zu Folge von aus dem zweiten Hochdruckraum 10 rücklaufenden Druckwellen vermieden werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die Steuereinrichtung 16 an Stelle der beiden Ventile 17, 23 einen als Steuerschieber ausgebildeten Steuerkolben 31 aufweist, welcher in einem Steuerzylinder 30 entlang der Verschiebeachse 16a verschiebbar angeordnet ist. Der Steuerzylinder 30 ist in eine Stufenbohrung 65 des zweiten Stangenteils 5 der Pleuelstange 1 im Bereich des großen Pleuelauges 3 in der Schwingebene ε und normal auf die Längsachse 1 a der Pleuelstange 1 eingesetzt und über Dichtringe 66 abgedichtet. Der Steuerkolben 31 ist entgegen der Kraft der im Federraum 32a des Steuerzylinders 30 angeordneten Rückstellfeder 32 durch den im Steuerraum 33 anliegenden Öldruck auslenkbar. Der Steuerraum 33 ist über eine Steuerleitung 34 mit dem Ölversorgungskanal 13 verbunden. Über den Steuerkolben 31 wird zumindest eine zum ersten Hochdruckraum 9 führende Bohrung 1 1 a des ersten Ölkanals 1 1 aufgesteuert. Der Steuerkolben 31 ist in Fig. 4 in zwei Stellungen dargestellt, wobei in der oberen Darstellung des Steuerkolbens 31 die Bohrung 1 1 a zugesteuert und in der unteren Darstellung des Steuerkolbens 31 aufgesteuert ist.
Der Steuerkolben 31 hat im Steuerzylinder 30 ein geringes Spiel vom beispielsweise 4 μηη, wodurch auf verschleißintensive Dichtungen zwischen beweglichen Teilen verzichtet werden kann.
Wie bereits bei dem an Hand der Fig. 2 und 3 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel weist auch bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Steuerkolben 31 Auftriebskörper 60, 61 auf, welche mit dem Steuerkolben 31 fest verbunden sind. Dabei ist ein an den Steuerraum 33 grenzender erster Auftriebskörper 60 im Bereich der ersten Stirnseite 31 a und ein an den Federraum 32a grenzender zweiter Auftriebskörper 61 im Bereich der zweiten Stirnseite 31 b des Steuerkolbens 31 angeordnet. Der Federraum 32a ist mit einem Speicherraum 62 strömungsverbunden, der wiederum über eine Drossel 63 mit dem nicht weiter dargestellten Kurbelraum der Hubkolbenmaschine verbunden ist. Durch das geringe Spiel zwischen Steuerkolben 31 und Steuerzylinder 30 treten geringe - beabsichtigte - Leckagen zwischen dem Steuerraum 33 und dem Federraum 32a auf, wodurch die Auftriebskörper 60, 61 stets von Öl weitgehend umgeben sind und schwimmen. Dadurch kommt das bekannte archimedische Prinzip, dass der statische Auftrieb eines Körpers in einem Medium genauso groß ist wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums, zur Anwendung. Die Querbeschleunigungskraft, die ein Abheben des Steuerkolbens 31 bzw. der Rückstellfeder 32 bewirken würde, wird somit wesentlich reduziert, sodass Fehlfunktionen der Steuereinrichtung 16 vermieden werden können. Alle beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen durch den Einsatz der Auftriebskörper 60, 61 die Dichte des Gesamtsystems und die Massen, auf welche Querbeschleunigungen zu Folge der Kurbelwellenumdrehung wirken, wesentlich zu reduzieren. Somit lassen sich Motordrehzahlen weit über 7000 U/min realisieren, ohne dass die Funktion der längenverstellbaren Pleuelstange 1 eingeschränkt werden muss.

Claims

PATE NTANSPRÜCHE
Längenverstellbare Pleuelstange (1) für eine Hubkolbenmaschine, mit zumindest einem ersten Stangenteil (4) und einem zweiten Stangenteil (5), welche beiden Stangenteile (4, 5) durch ein Betätigungsmedium, insbesondere teleskopartig, zu- und/oder ineinander verschiebbar sind, wobei die Verschiebung der Stangenteile (4, 5) durch eine hydraulische Steuereinrichtung (16) steuerbar ist, welche zumindest einen in Richtung einer Verschiebeachse (16a) verschiebbar gelagerten Teil aufweist, wobei die Verschiebeachse (16a) in einer Schwingebene (ε) der Pleuelstange (1) -vorzugsweise normal zur Längsachse (1a) der Pleuelstange (1) - angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der verschiebbar gelagerte Teil, insbesondere ein hin- und hergehender Teil, der Steuereinrichtung (16) zumindest einen Auftriebskörper (60, 61 ) aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper (60, 61 ) ausgebildet ist.
Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 1, wobei die hydraulische Steuereinrichtung (16) mit zumindest einem Hochdruckraum (9, 10) zwischen den beiden Stangenteilen (4, 5) über zumindest einen Hydraulikkanal, insbesondere Ölkanal (11 , 12), verbunden ist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (60, 61) eine geringere Dichte aufweist als das Betätigungsmedium, vorzugsweise Motoröl.
Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auftriebskörper (60, 61) als Hohlkörper ausgebildet ist.
Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auftriebskörper (60, 61) als geschlossenporiger Schaumkörper, vorzugsweise aus Polystyrol, ausgebildet ist.
Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (60, 61) fest mit dem hin- und hergehenden Teil verbunden oder integral mit diesem ausgebildet ist.
7. Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der verschiebbar gelagerte Teil, insbesondere ein hin- und hergehender Teil, der Steuereinrichtung durch einen in einem Steuerzylinder (30) verschiebbar gelagerten Steuerkolben (31) gebildet ist, dessen erste Stirnseite (31a) an einen mit dem Betätigungsmedium beaufschlagbaren Steuerraum (33) und dessen zweite Stirnseite (31b) an einen eine Rückstellfeder (32) aufweisenden Federraum (32a) grenzen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auftriebskörper (60, 61) im Bereich der ersten Stirnseite (31a) und/oder im Bereich der zweiten Stirnseite (31b) des Steuerkolbens (31) angeordnet ist, wobei der Steuerkolben (31) vorzugsweise zwischen dem Steuerraum (33) und dem Federraum (32a) definierte Leckagen aufweist.
8. Pleuelstange (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (32a) mit einem Speicherraum (62) strömungsverbunden ist, wobei der Speicherraum (62) vorzugsweise im selben Stangenteil (4) der Pleuelstange (1) wie die Steuereinrichtung (16) angeordnet ist.
9. Pleuelstange (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum (62) über eine Drossel (63) mit einem Kurbelraum verbunden ist.
10. Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (16) ein erstes Ventil (17) und eine zweites Ventil (22) mit jeweils einem in einem Ventilraum (18; 23) angeordneten Ventilkörper (20; 25) aufweist, welcher durch eine Rückstellkraft gegen einen Ventilsitz (21; 26) gepresst wird, und zumindest ein hin- und hergehender Teil durch eine die Ventilkörper (20; 25) miteinander wirkverbindende und zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verschiebbare Verbindungsstange (29) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Verbindungsstange (29) zumindest einen Auftriebskörper aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet ist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ventilkörper (20, 25) zumindest einen Auftriebskörper aufweist oder zumindest teilweise als Auftriebskörper ausgebildet ist.
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