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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil zum Einstellen eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuelstangenlänge bekannt.
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Ein Hydraulikventil für ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Hydraulikventil zu schaffen, welches kostengünstig eine verbesserte Steuerung und/oder Regelung des Hydraulikflüssigkeitsstroms ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Pleuel mit einem solchen Hydraulikventil zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es wird ein Hydraulikventil zum Beeinflussen, insbesondere zum Steuern und/oder Regeln, eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgeschlagen, mit einem Ventilgehäuse, das einen ersten Arbeitsanschluss und einen zweiten Arbeitsanschluss sowie einen Versorgungsanschluss aufweist, der mit einem hydraulischen Druck einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist, wodurch ein in dem Ventilgehäuse angeordneter beweglicher Kolben gegen die Kraft einer vorgespannten Feder verschiebbar ist. Dabei ist im Hydraulikventil wenigstens ein erstes Rückschlagventil vorgesehen, welches innerhalb des Ventilgehäuses die einem Arbeitsanschluss zugeführte Hydraulikflüssigkeit dem Versorgungsanschluss und dem anderen Arbeitsanschluss zuleitet.
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Das erfindungsgemäße Hydraulikventil ist zur Verwendung in einem Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung vorgesehen. Das Pleuel kann beispielsweise zur Verstellung eines Exzenters zwei mit entsprechenden Kolben zweier hydraulischer Stützkammern verbundene Stützstangen aufweisen. Das Hydraulikventil ermöglicht vorteilhaft ein Verkürzen des Weges der aus der einen Stützkammer eines Pleuels ablaufenden Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl, in die andere Stützkammer des Pleuels. Damit wird vermieden, dass die Hydraulikflüssigkeit bis in die Lagerschale zurückfließt und dann von der anderen Stützkammer wieder nachgefördert werden muss. Weiter wird dadurch vermieden, dass lange Hydraulikflüssigkeitssäulen entstehen und die wirkenden hohen Beschleunigungskräfte sich negativ auswirken können, wodurch im ungünstigsten Fall der Hydraulikdruck so weit abfallen könnte, dass vor einem Rückschlagventil der nachfördernden Stützkammer ein höherer Druck entsteht als hinter dem Rückschlagventil. Die nachfördernde Kammer würde so nur Hydraulikflüssigkeit über Leckage verlieren, aber im Gegenzug keine Hydraulikflüssigkeit zurückerhalten, wodurch der Kolben der entsprechenden Stützkammer absinken würde.
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Mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikventil lässt sich außerdem ein Pleuel mit einer variabel einstellbaren Länge realisieren, welche nicht nur in zwei Stufen einstellbar ist. Dadurch kann eine kosteneffektive hydraulische Lösung eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung dargestellt werden.
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Das Hydraulikventil kann im Pleuelkörper eines Pleuels angeordnet sein und einen in einem Gehäuse verschiebbaren Kolben als Steuerkolben mit wenigstens einem Rückschlagventil aufweisen, welches im Gehäuse oder auf dem Kolben angeordnet sein kann. Ein Hydraulikflüssigkeitspfad kann so von dem einen Arbeitsanschluss des Hydraulikventils zu dem anderen Arbeitsanschluss und dem Versorgungsanschluss ausgebildet sein.
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Zum Erreichen einer Stellung für hohe Verdichtung (εhigh) kann eine Stirnfläche des Kolbens mit dem Hydraulikdruck beaufschlagt werden. Dem entgegen wirkt die Ventilfeder, an der sich der Kolben abstützt und hält den Kolben in der Endlage, solange die Federkraft größer ist als die resultierende Kraft aus dem Hydraulikdruck, der auf die Stirnfläche wirkt. Hydraulikflüssigkeit kann lediglich von einem Arbeitsanschluss, bzw. der sogenannten Gaskraft (GKS (Gaskraftseite)) - Stützkammer des Pleuels über das Rückschlagventil in die zweite sogenannte Massenkraft (MKS (Massenkraftseite) - Stützkammer fließen. Zusätzlich kann die GKS-Kammer Hydraulikflüssigkeit über das Rückschlagventil aus dem Versorgungsanschluss nachfördern. Der Ablauf aus der MKS-Kammer erfolgt über eine Blende vor dem Rückschlagventil um die Verstellgeschwindigkeit der Exzenter-Verstelleinrichtung des Pleuels zu begrenzen. Dadurch kann Hydraulikflüssigkeit aus der MKS-Kammer in Richtung GKS-Kammer ablaufen, während keine Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer zurückfließen, bzw. abfließen kann. Die GKS-Kammer füllt sich und die MKS-Kammer entleert sich, so dass die Stellung für hohe Verdichtung erreicht werden kann.
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Zum Erreichen einer Stellung für niedrige Verdichtung (εıow) kann eine Kraft auf die Stirnfläche des Kolbens durch den Hydraulikdruck größer als die Gegenkraft der Ventilfeder sein. Der Kolben fährt dann in die andere Endlage. Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer kann zum einen über eine Blende bevorzugt in die MKS-Kammer fließen oder über eine kleinere Blende in Richtung eines Tankabflusses. Die Blende in Richtung Tankabfluss ist vorteilhaft, wenn die GKS-Kammer größer ist als die MKS-Kammer, da diese ein größeres Hydraulikflüssigkeitsvolumen hat und nicht das ganze Hydraulikflüssigkeitsvolumen von der MKS-Kammer verbraucht wird. Zusätzlich kann die MKS-Kammer Hydraulikflüssigkeit über das Rückschlagventil aus dem Versorgungsanschluss nachfördern.
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Dadurch kann Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer in Richtung MKS-Kammer und Tankabfluss ablaufen, während keine Hydraulikflüssigkeit aus der MKS-Kammer zurückfließen, bzw. abfließen kann. Die MKS-Kammer füllt sich und die GKS-Kammer entleert sich, so dass die Stellung für niedrige Verdichtung erreicht werden kann.
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In einer dazwischen liegenden Regelstellung des Hydraulikventils kann der Hydraulikflüssigkeitsdruck derartig geregelt werden, dass die Federkraft gleich der resultierenden Kraft aus dem Hydraulikdruck, der auf die Stirnfläche wirkt, ist. So können mit dem Kolben beide Kammerablaufbohrungen verschlossen oder wenigstens nahezu verschlossen werden, wodurch sich der Exzenterhebel nicht mehr verstellen lässt und in seiner aktuellen Position bleibt.
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Durch gezielte Regelung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks kann der Kolben kontrolliert verschoben und eine Stützkammer entleert, bzw. die komplementäre Stützkammer befüllt werden. So kann eine gezielte Verstellung bewirkt und bei gewünschtem Verstellwinkel der Kolben wieder so zurückgestellt werden, dass beide Stützkammern verschlossen oder wenigstens nahezu verschlossen sind und der Exzenterhebel in seiner Position verharrt. So kann durch Regelung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks ein gewünschter Verstellwinkel und damit eine gewünschte Pleuelstangenlänge erreicht werden.
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Weisen beide Stützkammern des Pleuels gleiches Volumen auf, so wird kein Ablauf in Richtung Tankabfluss benötigt.
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Die Blenden vor dem Rückschlagventil können optional sein. Durch konstruktive Maßnahmen oder gezielte Regelungen kann der Kolben den Öffnungsquerschnitt der Ablaufbohrungen im Gehäuse begrenzen und damit eine Drosselstelle erzeugen, die die gleiche Funktion erfüllen kann.
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Alternativ kann beim Pleuel ein zweiter Hydraulikflüssigkeitsversorgungseingang realisiert werden, wodurch unabhängig vom Hydraulikdruck des Motoröls die Kolbenstirnfläche druckbeaufschlagt werden kann. Dadurch reicht es, nur diesen Steuerdruck zu regeln und nicht den gesamten Hydraulikdruck des Versorgungsanschlusses des Motoröls.
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Externe Rückschlagventile könnten entfallen. Die Kanten an dem Kolben können dazu vorteilhaft so angeordnet werden, dass die Ablaufbohrungen in der Mittelstellung des Kolbens leicht geöffnet sind, also eine Unterdeckung besteht, und beide Stützkammern über das Rückschlagventil Hydraulikflüssigkeit nachfördern können.
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Der Außendurchmesser des Hydraulikventils kann vorteilhaft vergrößert werden, wodurch externe Rückschlagventile auch im Hydraulikventil integriert werden können, sodass ein einzelnes Hydraulikmodul entsteht. Als Rückschlagventile können beispielsweise Bandfederrückschlagventile, Plattenrückschlagventile, Kugelrückschlagventile eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Hydraulikventil kann als Einpressvariante oder mit einer Spielpassung mit Dichtelementen vorgesehen werden.
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Das Hydraulikventil kann alternativ auch als mechanische Variante realisiert werden, bei der die Kolbenpositionierung nicht über Hydraulikflüssigkeitsdruck sondern über eine Schaltkulisse wie im bekannten Schalterdesign erfolgt.
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Das Rückschlagventil zum Versorgungsanschluss hin kann alternativ auch durch ein anderes Rückschlagventil im Gehäuse oder ein externes Rückschlagventil im Pleuel vorgesehen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kolben wahlweise in einer ersten Schaltstellung und in einer zweiten Schaltstellung arretierbar sein. Anstelle eines kontinuierlich verstellbaren Hydraulikventils kann so günstigerweise auch ein zweistufiges Hydraulikventil mit zwei Endpositionen eingesetzt werden. In den Endpositionen als erste und zweite Schaltstellung kann der Kolben arretiert werden, um so eine stabile Stellung des Pleuels für eine gewünschte Verdichtung zu erreichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kolben kontinuierlich verstellbar vorgesehen sein. Alternativ kann der Kolben in Form eines Regelventils kontinuierlich verstellbar sein, wodurch auch Zwischenstellungen des Kolbens und damit der Hydraulikflüssigkeitsversorgung der Stützkammern des Pleuels sich einstellen lassen. So kann eine gewünschte Verdichtung auch als Zwischenwert zwischen hoch und niedrig eingestellt werden. Damit lässt sich die Motorregelung einer Verbrennungskraftmaschine günstiger gestalten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Regelstellung vorgesehen sein, in welcher der erste Arbeitsanschluss und der zweite Arbeitsanschluss verschlossen sind. So können mit dem Kolben beide Kammerablaufbohrungen des Pleuels verschlossen oder wenigstens nahezu verschlossen werden, wodurch sich der Exzenterhebel nicht mehr verstellen lässt und in seiner aktuellen Position bleibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Versorgungsanschluss ein zweites Rückschlagventil aufweisen, welches ein Rücklaufen der Hydraulikflüssigkeit in Richtung Versorgungsanschluss sperrt. Auf diese Weise kann das gesamte Hydraulikflüssigkeitsvolumen einer Stützkammer zur Befüllung der jeweils anderen Stützkammer verwendet werden. Zusätzlich lässt sich über das zweite Rückschlagventil Hydraulikflüssigkeit nachfördern, wenn das Volumen der zweiten Stützkammer größer als das Volumen der ersten Stützkammer ist und so mehr Hydraulikflüssigkeit zur Befüllung der zweiten Stützkammer benötigt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das zweite Rückschlagventil als Bandrückschlagventil vorgesehen sein. Ein Bandrückschlagventil beispielsweise als dünnes Federstahlband stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, ein Rückschlagventil zu realisieren. Außerdem lässt sich so eine sehr bauraumgünstige Variante umsetzen, da das Metallband platzsparend an einer Innenwand einer Gehäusebohrung anbringen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bandrückschlagventil als nach radial außen vorgespanntes Ringband ausgebildet sein. Das Ringband beispielsweise aus Federstahl kann so vorgespannt an der Gehäuseinnenwand anliegen, so dass es bei entsprechendem Hydraulikdruck von radial außen nach innen geöffnet werden kann. Der Öffnungsdruck lässt sich dabei über die Materialwahl und die Stärke des Ringbandes geeignet einstellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können Enden des Ringbandes überlappend ausgebildet sein. Wenn die Enden des Ringbandes überlappen, so schieben die Enden sich, wenn das Ringband nach radial innen gedrückt wird, übereinander und können nicht miteinander verhaken. So lässt sich auf einfache Weise ein zuverlässiger Betrieb des Rückschlagventils sicherstellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste Rückschlagventil am Ventilgehäuse oder auf dem Kolben angeordnet sein. Das erste Rückschlagventil kann auf einfache und platzsparende Weise im Inneren des Ventilgehäuses angeordnet werden und so beide Arbeitsanschlüsse abdecken. Auch ist eine sehr günstige Anordnung direkt auf dem Kolben möglich, wodurch der Bauraum günstig ausgenutzt werden kann und außerdem ein zuverlässiger Betrieb des Rückschlagventils sichergestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste Rückschlagventil zwei Plattenelemente und ein die Plattenelemente beaufschlagendes Federelement umfassen, wobei die Plattenelemente jeweils eine dem ersten Arbeitsanschluss und eine dem zweiten Arbeitsanschluss zugeordnete Öffnung des Kolbens überdecken. Auf diese Weise lässt sich ein sehr platzsparendes Rückschlagventil umsetzen, welches in zwei Raumrichtungen öffnen und schließen kann, wodurch vorteilhaft beide Arbeitsanschlüsse versorgt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Fluidpfad zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss und dem ersten Arbeitsanschluss eine Blende aufweisen. Mittels der Blende lässt sich der Hydraulikflüssigkeitsstrom günstig regeln, da auf diese Weise eine Drosselfunktion realisiert werden kann. Eine solche Blende ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Stützkammer ein größeres Hydraulikvolumen aufweist als die andere Stützkammer.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Fluidpfad zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss und einem Tankabfluss eine Blende aufweisen. Mit der Blende lässt sich der Anteil des Hydraulikflüssigkeitsstroms, der zum ersten Arbeitsanschluss fließt und der Anteil, der zum Tankabfluss fließt, geeignet beeinflussen und insbesondere steuern. Bevorzugt kann die Blende zum Tankabfluss eine kleinere Öffnung aufweisen als die Öffnung zum ersten Arbeitsanschluss.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des Hydraulikventils als Regelventil, Schaltventil oder Proportionalventil vorgeschlagen. Insbesondere eine kontinuierliche Verstellbarkeit des Kolbens lässt eine Verwendung im Regelbereich günstig erscheinen. So kann das erfindungsgemäße Hydraulikventil beispielsweise günstig für verstellbare Pleuel, Getriebeanwendungen oder Schwenkmotoren eingesetzt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgeschlagen, mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge mittels eines Hydraulikventils. Dabei weist die Exzenter-Verstelleinrichtung zwei Zylinder und/oder zwei Stützkammern auf. Es sind sowohl jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder, bzw. Stützkammern über eine Versorgungsleitung als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern, bzw. den Stützkammern vorgesehen. Die zwei Zylinder weisen jeweils einen Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange verbunden ist.
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Über die Stützstangen lässt sich ein Exzenter zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge betätigen. Mit dem Hydraulikventil lässt sich das Pleuel mit einer variabel einstellbaren Länge realisieren, welche nicht nur in zwei Stufen einstellbar ist. Dadurch kann eine kosteneffektive hydraulische Lösung eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mittels einer Exzenter-Verstelleinrichtung dargestellt werden.
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Das Hydraulikventil kann im Pleuelkörper des Pleuels angeordnet sein und einen in einem Gehäuse verschiebbaren Kolben als Steuerkolben mit wenigstens einem Rückschlagventil aufweisen, welches im Gehäuse oder auf dem Kolben angeordnet sein kann. Ein Hydraulikflüssigkeitspfad kann so von dem einen Arbeitsanschluss des Hydraulikventils zu dem anderen Arbeitsanschluss und dem Versorgungsanschluss ausgebildet sein.
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Zum Erreichen einer Stellung für hohe Verdichtung (εhigh) kann eine Stirnfläche des Kolbens mit dem Hydraulikdruck beaufschlagt werden. Dem entgegen wirkt die Ventilfeder, an der sich der Kolben abstützt und hält den Kolben in der Endlage, solange die Federkraft größer ist als die resultierende Kraft aus dem Hydraulikdruck, der auf die Stirnfläche wirkt. Hydraulikflüssigkeit kann lediglich von einem Arbeitsanschluss, bzw. der sogenannten Gaskraft (GKS (Gaskraftseite)) - Stützkammer des Pleuels über das Rückschlagventil in die zweite sogenannte Massenkraft (MKS (Massenkraftseite)) - Stützkammer fließen. Zusätzlich kann die GKS-Kammer Hydraulikflüssigkeit über das Rückschlagventil aus dem Versorgungsanschluss nachfördern. Der Ablauf aus der MKS-Kammer erfolgt über eine Blende vor dem Rückschlagventil um die Verstellgeschwindigkeit der Exzenter-Verstelleinrichtung des Pleuels zu begrenzen. Dadurch kann Hydraulikflüssigkeit aus der MKS-Kammer in Richtung GKS-Kammer ablaufen, während keine Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer zurückfließen, bzw. abfließen kann. Die GKS-Kammer füllt sich und die MKS-Kammer entleert sich, so dass die Stellung für hohe Verdichtung erreicht werden kann.
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Zum Erreichen einer Stellung für niedrige Verdichtung (εlow) kann eine Kraft auf die Stirnfläche des Kolbens durch den Hydraulikdruck größer als die Gegenkraft der Ventilfeder sein. Der Kolben fährt dann in die andere Endlage. Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer kann zum einen über eine Blende bevorzugt in die MKS-Kammer fließen oder über eine kleinere Blende in Richtung eines Tankabflusses. Die Blende in Richtung Tankabfluss ist vorteilhaft, wenn die GKS-Kammer größer ist als die MKS-Kammer, da diese ein größeres Hydraulikflüssigkeitsvolumen hat und nicht das ganze Hydraulikflüssigkeitsvolumen von der MKS-Kammer verbraucht wird. Zusätzlich kann die MKS-Kammer Hydraulikflüssigkeit über das Rückschlagventil aus dem Versorgungsanschluss nachfördern.
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Dadurch kann Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Kammer in Richtung MKS-Kammer und Tankabfluss ablaufen, während keine Hydraulikflüssigkeit aus der MKS-Kammer zurückfließen, bzw. abfließen kann. Die MKS-Kammer füllt sich und die GKS-Kammer entleert sich, so dass die Stellung für niedrige Verdichtung erreicht werden kann.
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In einer dazwischen liegenden Regelstellung des Hydraulikventils kann der Hydraulikflüssigkeitsdruck derartig geregelt werden, dass die Federkraft gleich der resultierenden Kraft aus dem Hydraulikdruck, der auf die Stirnfläche wirkt, ist. So können mit dem Kolben beide Kammerablaufbohrungen verschlossen oder wenigstens nahezu verschlossen werden, wodurch sich der Exzenterhebel nicht mehr verstellen lässt und in seiner aktuellen Position bleibt. Durch gezielte Regelung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks kann der Kolben kontrolliert verschoben und eine Stützkammer entleert, bzw. die komplementäre Stützkammer befüllt werden. So kann eine gezielte Verstellung bewirkt und bei gewünschtem Verstellwinkel der Kolben wieder so zurückgestellt werden, dass beide Stützkammern verschlossen oder nahezu verschlossen sind und der Exzenterhebel in seiner Position verharrt. So kann durch Regelung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks ein gewünschter Verstellwinkel und damit eine gewünschte Pleuelstangenlänge erreicht werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann im Hydraulikventil wenigstens ein erstes Rückschlagventil vorgesehen sein, welches innerhalb des Ventilgehäuses eine aus einem Zylinder, bzw. einer Stützkammer ablaufende Hydraulikflüssigkeit der Versorgungsleitung und dem anderen Zylinder, bzw. der anderen Stützkammer zuleitet. Das Hydraulikventil ermöglicht vorteilhaft ein Verkürzen des Weges der aus der einen Stützkammer eines Pleuels ablaufenden Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl, in die andere Stützkammer des Pleuels. Damit wird vermieden, dass die Hydraulikflüssigkeit bis in die Lagerschale zurückfließt und dann von der anderen Stützkammer wieder nachgefördert werden muss.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel mit einem Hydraulikventil vorgeschlagen, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung einen Schwenkmotor umfasst, welcher einen in einem Stator gelagerten Rotor aufweist. Dabei sind zwischen wenigstens einem Rotorflügel des Rotors und wenigstens einem Statorflügel des Stators wenigstens eine erste Stützkammer und wenigstens eine zweite Stützkammer ausgebildet, wobei ein Volumen der ersten Stützkammer und ein Volumen der zweiten Stützkammer durch eine Verstellung von Rotor gegen Stator komplementär zueinander veränderbar sind.
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Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Pleuel kann alternativ als Antrieb für die Exzenter-Verstelleinrichtung ein Schwenkmotor eingesetzt werden. So lässt sich eine Drehung des Schwenkmotors auf mechanisch einfache Weise auf eine Drehung eines Exzenters der Exzenter-Verstelleinrichtung übertragen. Dadurch kann die Längenverstellbarkeit des Pleuels zuverlässig realisiert werden. So lassen sich schnelle Verstellzeiten des Pleuels erreichen, sowie eine sehr platzsparende Bauweise des Pleuels umsetzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann im Hydraulikventil wenigstens ein erstes Rückschlagventil vorgesehen sein, welches innerhalb des Ventilgehäuses eine aus einer Stützkammer ablaufende Hydraulikflüssigkeit einer Versorgungsleitung und der anderen Stützkammer zuleitet. Das Hydraulikventil ermöglicht vorteilhaft ein Verkürzen des Weges der aus der einen Stützkammer eines Pleuels ablaufenden Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl, in die andere Stützkammer des Pleuels. Damit wird vermieden, dass die Hydraulikflüssigkeit bis in die Lagerschale zurückfließt und dann von der anderen Stützkammer wieder nachgefördert werden muss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 ein Hydraulikventil nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht;
- 2 das Hydraulikventil gemäß 1 in einem Längsschnitt;
- 3 das Hydraulikventil gemäß 1 in einer anderen Seitenansicht mit eingezeichneten Schnittebenen A-A, B-B und C-C;
- 4 das Hydraulikventil gemäß 1 in isometrischer Darstellung;
- 5 das Hydraulikventil gemäß 1 in einem Querschnitt B-B in 3;
- 6 das Hydraulikventil gemäß 1 in einem Querschnitt C-C in 3;
- 7 eine schematische Hydraulikanordnung eines Pleuels nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Regelstellung;
- 8 die schematische Hydraulikanordnung eines Pleuels gemäß 7 in einer Stellung für hohe Verdichtung;
- 9 das Hydraulikventil gemäß 1 in einem Längsschnitt A-A in 3 in der Stellung für hohe Verdichtung;
- 10 die schematische Hydraulikanordnung eines Pleuels gemäß 7 in einer Stellung für niedrige Verdichtung;
- 11 das Hydraulikventil gemäß 1 in einem Längsschnitt A-A in 3 in der Stellung für niedrige Verdichtung;
- 12 ein Pleuel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Vorderansicht; und
- 13 ein Pleuel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Schwenkmotor in einem Längsschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Den 1 bis 6 ist ein erfindungsgemäßes Hydraulikventil 1 zum Einstellen, insbesondere zum Steuern und/oder Regeln, eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung in verschiedenen Ansichten und Schnitten zu entnehmen. 1 zeigt das Hydraulikventil 1 in einer Seitenansicht, während in 2 ein Längsschnitt und in 3 eine weitere Seitenansicht mit eingezeichneten Schnittebenen A-A, B-B und C-C dargestellt ist. 4 zeigt das Hydraulikventil 1 in isometrischer Darstellung. Die 5 und 6 zeigen Querschnitte B-B und C-C.
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Wie insbesondere in 2 zu erkennen ist, weist das Hydraulikventil 1 ein Ventilgehäuse 2 auf, das einen ersten Arbeitsanschluss 3 und einen zweiten Arbeitsanschluss 4 sowie einen Versorgungsanschluss 5 aufweist, der mit einem hydraulischen Druck der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist, wodurch ein in dem Ventilgehäuse 2 angeordneter beweglicher Kolben 6 gegen die Kraft einer vorgespannten Feder 7 verschiebbar ist. Wie aus den 2, 3 und 4 zu entnehmen ist, sind die Arbeitsanschlüsse 3 und 4 aus mehreren radialen Bohrungen im Ventilkörper 2 ausgebildet und münden in jeweils auf dem Ventilgehäuse 2 zumindest teilweise umlaufende Ringnuten 32, 33.
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Wie insbesondere in den 1, 2 und 4 zu erkennen ist, umfasst der Versorgungsanschluss 5 radiale Bohrungen, welche ebenfalls in eine zumindest teilweise umlaufende Ringnut 34 münden, welche in eine axiale Nut 35 und eine Bohrung 36 übergeht, über welche der Kolben 6 wie nachfolgend beschrieben mit hydraulischem Druck beaufschlagt werden kann. Die radialen Bohrungen des Versorgungsanschlusses 5 sind in dem Querschnitt B-B in 5 zu erkennen, während die radialen Bohrungen des zweiten Arbeitsanschlusses 4 in dem Querschnitt C-C in 6 zu erkennen sind.
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Im Hydraulikventil 1 ist erfindungsgemäß wenigstens ein erstes Rückschlagventil 8 vorgesehen ist, welches innerhalb des Ventilgehäuses 2 eine aus einem Zylinder bzw. einer Stützkammer ablaufende Hydraulikflüssigkeit dem Versorgungsanschluss 5 und dem anderen Zylinder bzw. der anderen Stützkammer zuleitet. Dazu kann die dem Arbeitsanschluss 3, 4 zugeführte Hydraulikflüssigkeit dem Versorgungsanschluss 5 und dem jeweils anderen Arbeitsanschluss 4, 3 zugeleitet werden.
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Das erste Rückschlagventil 8 kann am Ventilgehäuse 2 oder wie gezeigt auf dem Kolben 6 angeordnet sein. Es umfasst zwei ringförmige, auf dem Kolben 6 geführte Plattenelemente 21, 22 und ein die Plattenelemente 21, 22 beaufschlagendes Federelement 23, wobei die Plattenelemente 22, 23 jeweils eine dem ersten Arbeitsanschluss 3 und eine dem zweiten Arbeitsanschluss 4 zugeordnete Öffnung 24, 25 bzw. Bohrung des Kolbens 6 überdecken.
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Der Kolben 6 ist vorzugsweise kontinuierlich verstellbar vorgesehen, so dass die Kolben bzw. der Exzenter der Exzenter-Verstelleinrichtung in eine gewünschte Position regelbar sind. So kann das Hydraulikventil 1 prinzipiell als Regelventil, Schaltventil oder Proportionalventil verwendet werden.
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Wie beispielsweise 2 zu entnehmen ist, weist der Versorgungsanschluss 5 ein zweites Rückschlagventil 9 auf, welches einen Rücklauf der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikventil 1 in Richtung Versorgungsleitung P sperrt. Wie ersichtlich, ist das zweite Rückschlagventil 9 als Bandrückschlagventil vorgesehen. Das Bandrückschlagventil ist als nach radial außen vorgespanntes Ringband ausgebildet, dessen Enden überlappend ausgebildet sind, wie insbesondere in 5 zu erkennen ist.
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Den 7, 8 und 10 sind jeweils Gesamtschaltungen eines Pleuels in einer schematischen Hydraulikanordnung zu entnehmen. Beispielhaft sind schematisch Zylinder 11, 12, Kolben 13, 14 und Stützstangen 15, 16 einer Exzenter-Verstelleinrichtung gezeigt. 7 zeigt eine Regelstellung des Hydraulikventils 1, in welcher ein Ablauf 17, 18 beider Zylinder 11, 12 verschlossen ist. Den 8 und 10 sind die Endlagenpositionen für hohe Verdichtung (ε-high) in einer ersten Schaltstellung S1, bzw. niedrige Verdichtung (ε-low) in einer zweiten Schaltstellung S2 zu entnehmen.
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9 zeigt dazu das Hydraulikventil 1 detailliert in einem Längsschnitt A-A in 3 in der Stellung für hohe Verdichtung, während 11 das Hydraulikventil 1 in einem Längsschnitt A-A in der Stellung für niedrige Verdichtung darstellt.
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Das nur angedeutet dargestellte Pleuel weist einen Pleuelkörper und eine Exzenter-Verstelleinrichtung, welche nur in der Form von zwei Stützstangen 15, 16 dargestellt ist, mit zwei Zylindern 11, 12, bzw. zwei Stützkammern auf, wobei sowohl jeweils ein Zulauf 19, 20 zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder 11, 12, bzw. die Stützkammern über eine Versorgungsleitung 27, welche einen Versorgungsdruck P liefert, als auch jeweils ein Ablauf 17, 18 zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern 11, 12, bzw. den Stützkammern vorgesehen sind.
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Die Exzenter-Verstelleinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform zwei Zylinder 11, 12 mit jeweils einem Kolben 13, 14 aufweisen, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange 15, 16 verbunden ist.
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Aus den 2 und 7 ist die Regelstellung zu entnehmen, in welcher die Abläufe 17, 18 beider Zylinder 11, 12 verschlossen sind. Dabei ist der Hydraulikdruck P derartig geregelt, dass die Federkraft der Feder 7 gleich der resultierenden Kraft aus dem Versorgungsdruck P ist, der auf die Stirnfläche 26 wirkt. Durch eine gezielte Regelung des Hydraulikdrucks P kann man den Kolben 6 kontrolliert verschieben und Zylinder 11, bzw. 12 sich entleeren bzw. den komplementären Zylinder 12, bzw. 11 befüllen lassen. Somit kann eine gezielte Verstellung bewirkt werden. Bei gewünschtem Verstellwinkel kann der Kolben 6 wieder so zurückgestellt werden, dass beide Zylinder 11, 12 verschlossen oder wenigstens nahezu verschlossen sind und die Exzenter-Verstelleinrichtung in ihrer Position verharrt. Damit kann durch Regelung des Hydraulikdrucks ein gewünschter Verstellwinkel und damit eine gewünschte Pleuelstangenlänge erreicht werden.
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Den 8 und 9 ist die Endlagenposition ε-high des Pleuels in der Schaltstellung S1 zu entnehmen.
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Eine Stirnfläche 26 des Kolbens 6 ist über eine Versorgungsleitung 27 im Pleuelkörper 10 und den beschriebenen Versorgungsanschluss 5 im Hydraulikventil 1 mit dem Versorgungsdruck P beaufschlagt. Dem entgegen wirkt die Feder 7 und hält den Kolben 6 in der Endlage, solange die Federkraft größer als die resultierende Kraft aus der Versorgungsleitung 27 ist, die auf die Stirnfläche 26 wirkt.
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Hydraulikflüssigkeit kann von dem Zylinder 11 lediglich über das erste Rückschlagventil 8 in den Zylinder 12 fließen, wie durch die Pfeile in 8 und 9, welche den Fluidpfad 40 symbolisieren, angedeutet ist. Zusätzlich kann der Zylinder 12 über das Bandrückschlagventil 9 aus der Versorgungsleitung 27 und den im Ventilgehäuse 2 ausgebildeten Versorgungsanschluss 5 nachfördern.
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Der Ablauf aus dem Zylinder 11 erfolgt über eine Blende 37 vor dem Rückschlagventil 8, um die Verstellgeschwindigkeit zu begrenzen.
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Hydraulikflüssigkeit kann in dieser Stellung aus dem Zylinder 11 ablaufen, während aus dem Zylinder 12 keine Hydraulikflüssigkeit abfließen kann, so dass sich der Zylinder 11 entleert und der Zylinder 12 füllt und sich die Endlagenposition ε-high einstellt.
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Den 10 und 11 ist die Endlagenposition ε-low des Pleuels in der Schaltstellung S2 zu entnehmen.
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Die Kraft auf die Stirnfläche 26 durch den Versorgungsdruck P ist dabei größer als Gegenkraft der Feder 7, so dass der Kolben 6 in seine linksseitige Endlage fährt.
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Wie den in 10 und 11 dargestellten Pfeilen, welche den Fluidpfad 40 symbolisieren, zu entnehmen ist, kann Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder 12 zum einen über eine Blende 28 bevorzugt in Richtung Zylinder 11 oder über eine kleinere Blende 29 in Richtung eines Tankabflusses T fließen. Die Blende gegen den Tankabfluss T ist nur nötig, wenn der Zylinder 12 größer ist als der Zylinder 11, da diese ein größeres Volumen hat und nicht alle Hydraulikflüssigkeit von dem Zylinder 11 verbraucht wird. Zusätzlich kann der Zylinder 11 Hydraulikflüssigkeit über das Bandrückschlagventil 9 aus der Versorgungsleitung 27 nachfördern.
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Hydraulikflüssigkeit kann aus dem Zylinder 12 in Richtung Zylinder 11 und Richtung Tankabfluss T ablaufen, während keine Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder 11 ablaufen kann, so dass sich der Zylinder 11 füllt und sich die Endlagenposition ε-low einstellt.
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Der Kolben 6 könnte auch wahlweise in der ersten Schaltstellung S1 und in der zweiten Schaltstellung S2 arretierbar sein.
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Im Weiteren sind alternative Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche in der Zeichnung nicht explizit dargestellt sind.
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Wenn beide Zylinder 11, 12, bzw. Stützkammern ein gleiches Volumen aufweisen, wird kein Ablauf in Richtung Tank T benötigt.
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Die Blenden 28 vor dem Rückschlagventil 8 sind optional. Durch konstruktive Maßnahmen oder gezielte Regelungen können die Plattenelemente 21, 22 den Öffnungsquerschnitt der Ablaufbohrungen 3, 4 im Ventilgehäuse 2 begrenzen und damit eine Drosselstelle erzeugen, die die gleiche Funktion erfüllen würde. Durch eine zweite Versorgungsleitung mit einem vom Motoröldruck unabhängigen Hydraulikdruck, könnte die Kolbenstirnfläche 26 unabhängig vom Motoröldruck geregelt werden.
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Die in den 7, 8 und 10 dargestellten externen Rückschlagventile 30, 31 könnten entfallen, wenn Kanten des Kolbens 6 so angeordnet werden, dass die Ablaufbohrungen 3, 4 in der Mittelstellung des Kolbens 6 leicht geöffnet sind (Unterdeckung) und beide Zylinder 11, 12 über das Bandrückschlagventil 9 Hydraulikflüssigkeit nachfördern können.
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Alternativ können die externen Rückschlagventile 30, 31 auch im Hydraulikventil 1 integriert werden, sodass man ein einzelnes Hydraulikmodul erhält.
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Anstatt eines kontinuierlich verstellbaren Hydraulikventils 1 kann auch ein zweistufiges Ventil mit zwei Endpositionen vorgesehen sein.
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Das dargestellte Hydraulikventil 1 ist als Einpressvariante vorgesehen. Auch eine Spielpassung mit Dichtelementen kann vorgesehen sein.
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Das Hydraulikventil 1 kann auch als mechanische Variante ausgebildet sein, bei welchem die Kolbenpositionierung nicht über Hydraulikflüssigkeitsdruck erfolgt, sondern über eine Schaltkulisse.
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Das Bandrückschlagventil 9 kann auch durch ein anderes Rückschlagventil im Ventilgehäuse 2 oder ein externes Rückschlagventil im Pleuel ersetzt werden.
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12 zeigt ein Pleuel 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Vorderansicht. Das Pleuel 100 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung umfasst einer Exzenter-Verstelleinrichtung 102 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge mittels eines Hydraulikventils 1.
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Die Exzenter-Verstelleinrichtung 102 weist zwei Zylinder 11, 12, bzw. Stützkammern auf. Es sind sowohl jeweils ein Zulauf 19, 20 (nicht zu erkennen, siehe 7) zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder 11, 12, bzw. Stützkammern über eine Versorgungsleitung 27 als auch jeweils ein Ablauf 17, 18 (nicht zu erkennen, siehe 7) zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern 11, 12, bzw. den Stützkammern vorgesehen. Die zwei Zylinder 11, 12 weisen jeweils einen Kolben 13, 14 auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange 15, 16 verbunden ist. Die Stützstangen 15, 16 sind zur Betätigung eines Exzenterhebels 103, welcher mit dem Exzenter 104 verbunden ist, vorgesehen.
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Im Hydraulikventil 1 ist, wie in den 1 bis 6 dargestellt, wenigstens ein erstes Rückschlagventil 8 vorgesehen, welches innerhalb des Ventilgehäuses 2 eine aus einem Zylinder 11, 12, bzw. einer Stützkammer ablaufende Hydraulikflüssigkeit der Versorgungsleitung 27 und dem anderen Zylinder 12, 11, bzw. der anderen Stützkammer zuleitet. Die nicht dargestellte Versorgungsleitung 27 mündet in die Lagerschale 114 des Hublagerauges 115, worüber der Versorgungsdruck P zur Verfügung steht.
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Im Pleuelkörper 10 sind die beiden externen Rückschlagventile 30, 31 in Querbohrungen angeordnet.
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13 zeigt ein Pleuel 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Schwenkmotor 126 in einem Längsschnitt. Das Pleuel 100 weist ebenfalls eine Exzenter-Verstelleinrichtung 102 auf, welche einen Exzenter 104 umfasst.
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Der Exzenter 104 weist eine Aufnahme 130 für einen Kolbenbolzen auf. Der Exzenter 104 wird in dieser Alternative jedoch über einen im Pleuelauge 118 angeordneten Schwenkmotor 126 angetrieben, welcher einen in einem Stator 128 gelagerten Rotor 127 aufweist, wobei zwischen wenigstens einem Rotorflügel 131 des Rotors 127 und wenigstens einem Statorflügel 132 des Stators 128 wenigstens eine erste Stützkammer 152 und wenigstens eine zweite Stützkammer 154 ausgebildet sind, wobei ein Volumen der ersten Stützkammer 152 und ein Volumen der zweiten Stützkammer 154 durch eine Verstellung von Rotor 127 gegen Stator 128 komplementär zueinander veränderbar sind.
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Der Pleuelkörper 10 weist zu beiden Seiten des Hublagerauges 115 Aufnahmen 122 für Pleuelschrauben auf, worüber das Hublagerauge 115 geschlossen werden kann. Im Hydraulikventil 1 ist dabei wenigstens ein erstes Rückschlagventil 8 vorgesehen, welches innerhalb des Ventilgehäuses 2 eine aus einer Stützkammer 152, 154 ablaufende Hydraulikflüssigkeit der Versorgungsleitung 27 und der anderen Stützkammer 154, 152 zuleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107127 A1 [0003]