Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Hydraulikmodul zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms
eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung
zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge sowie einen Pleuel mit einem derartigen
Hydraulikmodul.
Stand der Technik
[0002] 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.
[0003] Eine Hydraulikmodul für einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung
mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge
ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 020 999 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
[0004] Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hydraulikmodul für einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine
mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer
effektiven Pleuelstangenlänge zu schaffen, welches ein stabiles Betriebsverhalten
aufweist.
[0005] Eine weitere Aufgabe ist es, einen verbesserten Pleuel mit einem solchen Hydraulikmodul
zu schaffen.
[0006] Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
[0007] Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
[0008] Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Hydraulikmodul vorgeschlagen zum Steuern
eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels für eine Brennkraftmaschine mit variabler
Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven
Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung wenigstens einen ersten
Zylinder und einen zweiten Zylinder als Hydraulikkammern aufweist und wobei sowohl
jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder über eine
Versorgungsleitung als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit
von den Zylindern vorgesehen sind. Modulseitig ist wenigstens ein in einem Gehäuse
beweglicher Kolben vorhanden, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung oder
eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung der
Ablauf des zweiten Zylinders und in der zweiten Schaltstellung der Ablauf des ersten
Zylinders mit der Versorgungsleitung verbunden ist. Den Zylindern ist jeweils ein
Rückschlagventil zugeordnet, welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die
Zylinder ermöglicht und ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern verhindert.
Dabei sind die Zylinder derart verbunden, dass in der zweiten Schaltstellung Hydraulikflüssigkeit
aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder über einen Kanal im Hydraulikmodul
leitbar ist.
[0009] An einem ersten Arbeitsanschluss des erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls kann der erste
Zylinder als Hydraulikkammer des verstellbaren Pleuels, beispielsweise der Zylinder
auf einer Gaskraftseite (GKS) des Pleuels, angeschlossen sein und an dem zweiten Arbeitsanschluss
kann der zweite Zylinder als Hydraulikkammer, beispielsweise der Zylinder auf der
Massenkraftseite (MKS) des Pleuels angeschlossen sein. Die entsprechenden Kammern
werden üblicherweise als GKS-Kammer bzw. MKS-Kammer bezeichnet.
[0010] Die drehzahlabhängige Beschleunigung der im Pleuel befindlichen relativ langen Hydraulikflüssigkeitssäulen
des als Hydraulikflüssigkeit verwendeten Motoröls können Druckdifferenzen erzeugen.
Diese können sich sowohl positiv als auch negativ auswirken, d.h. die Hydraulikflüssigkeitssäulen
können so beschleunigt werden, dass das Entleeren und Füllen der Hydraulikkammern
der Zylinder des Pleuels unterstützt wird, aber auch, dass dies behindert wird. Vor
allem bei einem Zylinder auf der Massenkraftseite (MKS) des Pleuels kann sich dieser
Effekt negativ auswirken. Die Beschleunigung der Hydraulikflüssigkeitssäulen kann
bewirken, dass sich vor und hinter dem MKS-seitigen Rückschlagventil keine positive
Druckdifferenz mehr ausbildet, die bewirkt, dass in die MKS-Kammer Hydraulikflüssigkeit
nachgefördert werden kann. Da die Kammern durch Leckage und andere Effekte immer Hydraulikflüssigkeit
verlieren, bewirkt das ein stufenartiges, langsames Verstellen des Exzenters über
mehrere Umdrehungen und damit der effektiven Länge des Pleuels von einer Stellung
niedriger Verdichtung (ε
low), welche der ersten Schaltstellung des Hydraulikmoduls entspricht, in eine Stellung
hoher Verdichtung (ε
high), welche der zweiten Schaltstellung des Hydraulikmoduls entspricht. Man spricht dabei
vom sogenannten Abdriften. Dies tritt vor allem in Motorlastfällen auf mit hohen Massenkräften
(Zugkraft und Druckkraft am Pleuel) und niedrigen Gaskräften (Druckkraft am Pleuel).
Eine eventuelle Verstellung des Pleuels in Richtung hoher Verdichtung ε
high durch die Massenkräfte in Zugrichtung kann von den Massenkräften in Druckrichtung
und den Gaskräften nicht wieder vollständig zurückgestellt werden.
[0011] Dieser Effekt kann mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikmodul vorteilhaft vermieden
werden dadurch, dass die GKS-Kammer die in der Stellung niedriger Verdichtung (ε
low) nachgeförderte Hydraulikflüssigkeit direkt und ungedrosselt in die MKS-Kammer leiten
kann. Dies kann bewirkt werden, weil die Hydraulikflüssigkeit, die die GKS-Kammer
durch die am Pleuel angreifenden Gas- und Massenkräfte in Druckrichtung in die MKS-Kammer
drückt, einen wesentlich höheren Druck hat als der Hydraulikflüssigkeitsdruck der
Hydraulikversorgung in der Lagerschale des Pleuels. Dadurch kann die Hydraulikflüssigkeit
von der GKS-Kammer in die MKS-Kammer gedrückt werden.
[0012] Neben der Lagestabilität der Exzenter-Verstelleinrichtung des Pleuels in der Stellung
ε
low, d.h. dass sich nach einer Umdrehung der Pleuel wieder in seiner Endlage ε
low befindet, kann sich auch die Lagestabilität über die Umdrehung, bzw. die Steifigkeit
des Pleuels erhöhen. Während einer Umdrehung gibt es nämlich immer eine Bewegung des
Exzenterhebels, da die Hydraulikflüssigkeitssäulen auch eine gewisse Flexibilität
haben und es so immer zu einem gewissen Einsinken des Stützkolbens in der gefüllten
Kammer kommt. Stellt sich der Pleuel bis zum Ende der Umdrehung wieder vollständig
zurück, spricht man von "lagestabil". Dennoch könnte bei einer Winkeländerung an dem
Exzenter, bzw. der Hebelbaugruppe beim Rückstellen der jeweilige Stützkolben auf den
Kammerboden schlagen, was sich auf die Lebensdauer negativ auswirken kann. Aus diesem
Grund kann die Verstellgeschwindigkeit der Exzenter-Verstelleinrichtung begrenzt werden
durch Drosselstellen in den Hydraulikleitungen. Eine mit Druck belastete vorgespannte
MKS-Hydraulikflüssigkeitssäule sinkt vorteilhaft weniger ein als eine nicht vorgespannte
Hydraulikflüssigkeitssäule. Weniger Einsinken bedeutet weniger Hebelbewegung, wodurch
die Lagestabilität in der Stellung ε
low verbessert werden kann.
[0013] Das erfindungsgemäße Hydraulikmodul stellt eine vorteilhafte konstruktive Lösung
für das Vorspannen der MKS-Kammer kombiniert mit einem hydraulischen Schaltventil
und integrierten Rückschlagventilen dar. Ein vorteilhaftes Merkmal ist, dass die Hydraulikflüssigkeitsversorgung
der MKS-Kammer über eine Umfangsnut in einem Stufen-Kolben des Hydraulikmoduls deaktiviert
oder aktiviert werden kann. Dafür sind in das Gehäuse des Hydraulikmoduls eingebrachte
stirnseitige Bohrungen miteinander verschaltet.
[0014] Das erfindungsgemäße Hydraulikmodul ermöglicht vorteilhaft eine hydraulische Verstellung
eines Pleuels über eine quasistatische Änderung des hydraulischen Lagerschalendrucks
ab. Durch die Änderung des Hydraulikdrucks an dem Versorgungsanschluss wird der Stufen-Kolben
entgegen oder in Richtung der Federkraft in axialer Richtung verschoben und öffnet
oder schließt so die GKS- bzw. MKS-Ablaufbohrungen um die Exzenterverstellung einzuleiten.
[0015] Der Stufen-Kolben ist darüber hinaus mit einer Umfangsnut versehen, die bereits im
Gehäuse eingebrachte Bohrungen in einer definierten Schaltstellung ε
low miteinander verbindet und somit eine Vorspannung der MKS-Kammer ermöglicht.
[0016] Des Weiteren sind Band-Rückschlagventile über dem Außenumfang des Hydraulikmoduls
eingebracht, die das Gesamtsystem Pleuel vereinfachen. Die Bandelemente können vorteilhaft
mit Schlitzen oder Löchern versehen sein, um bei einem kompakten Bauraum, gleichbleibender
Funktionalität, sowie ähnlichen Bandsteifigkeiten ausreichend große Strömungsquerschnitte
zu ermöglichen und hohe Funktionalität bei geringem Bauraum zu gewährleisten. Dabei
sind günstigerweise nur noch 3 Bohrungen im Pleuelgrundkörper notwendig.
[0017] Um die zusätzlich eingebrachten Bohrungen gegeneinander und nach außen hin abzudichten,
kann ein Verschlussring in Kombination mit einer Dichtscheibe in das Gehäuse eingebracht
und stirnseitig mit dem Gehäuse verschweißt werden.
[0018] Ein weiteres alternatives Hydraulikmodul könnte in einer der beiden Endlagen des
Stufen-Kolbens zwei schiefe Ebenen aufeinander schieben, die wiederum eine Hydraulikflüssigkeitsverbindung
deaktivieren oder aktivieren.
[0019] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Schaltelement im Kolben zur Steuerung
des Hydraulikfluidstroms in dem Kanal vorgesehen sein. Über das Schaltelement im Kolben
kann vorteilhaft die Hydraulikflüssigkeitsversorgung der MKS-Kammer deaktiviert oder
aktiviert werden. Das Schaltelement verbindet die im Gehäuse eingebrachten Bohrungen
in einer der beiden Schaltstellungen, bevorzugt in der ersten Schaltstellung für niedrige
Verdichtung ε
low und ermöglicht so eine Vorspannung der MKS-Kammer.
[0020] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Schaltelement als Formkontur auf
dem Kolben vorgesehen sein. Alternativ beispielsweise zu einer Umfangsnut im Stufen-Kolben
kann auch eine Formkontur auf dem Stufen-Kolben vorhanden sein, die bei Überschreiten
eines gewissen Hubs einen federgelagerten Schieber, oder Schiebersystem, öffnet, der
wiederum eine Verbindung zwischen MKS-Kammer und GKS-Kammer ermöglicht.
[0021] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann als Schaltelement eine Umfangsnut des
Kolbens vorgesehen sein, welche einen Teil des Kanals bildet. Die Umfangsnut kann
im Gehäuse eingebrachten Bohrungen in einer der beiden Schaltstellungen, bevorzugt
in der zweiten Schaltstellung für niedrige Verdichtung ε
low verbinden und so eine Vorspannung der MKS-Kammer vorteilhaft ermöglichen.
[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Hydraulikflüssigkeitsstrom im Kanal
über die Umfangsnut durch ein axiales Verschieben des Kolbens in die erste oder zweite
Schaltstellung schaltbar sein. Dadurch können in vorteilhafter Weise die Ablaufbohrungen
der GKS-Kammer und der MKS-Kammer geöffnet oder geschlossen werden, um so eine Exzenterverstellung
einzuleiten.
[0023] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der zweiten Schaltstellung der Ablauf
des ersten Zylinders über die Umfangsnut mit dem Zulauf des zweiten Zylinders verbindbar
sein. Dadurch kann der Pleuel vorteilhaft in eine Stellung niedriger Verdichtung ε
low geschaltet werden, indem die Hydraulikflüssigkeit ungedrosselt von der GKS-Kammer
in die MKS-Kammer geleitet werden kann.
[0024] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der zweiten Schaltstellung der Ablauf
des ersten Zylinders über eine stirnseitige Querbohrung und/oder über eine Schrägbohrung
mit der Umfangsnut verbindbar sein. Günstigerweise kann die Verschaltung der Hydraulikleitungen
im Gehäuse des Hydraulikmoduls über die Umfangsnut durch Querbohrungen und/oder Schrägbohrungen
erfolgen. Auf diese Weise ist ein sehr kompakter Aufbau des Hydraulikmoduls möglich.
[0025] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können stirnseitige Bohrungen des Gehäuses
mittels einer ringförmigen Dichtscheibe und/oder eines Verschlussringes abgedichtet
vorgesehen sein. Dadurch lässt sich eine dauerhafte Abdichtung der Bohrungen erreichen,
so dass eine zuverlässige Funktion des Exzenterverstellmechanismus auf Dauer sichergestellt
werden kann.
[0026] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Rückschlagventile in das Hydraulikmodul
integriert sein. Durch die Integration der Rückschlagventile in das Hydraulikmodul
ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau der gesamten Hydraulikanordnung des Pleuels,
da nur noch die kombinierten Zuleitungen und Ableitungen der Hydraulikkammern sowie
eine Versorgungsleitung im Pleuelgrundkörper und/oder Pleueldeckel vorzusehen sind.
[0027] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann wenigstens eines der Rückschlagventile
als Schließelement ein im Wesentlichen ringförmiges Bandelement aufweisen, welches
das Gehäuse wenigstens teilweise auf seinem Umfang umschließt und am Gehäuse wenigstens
teilweise abgestützt ist und mittels welchem in einer geschlossenen Position Arbeitsanschlüsse
verschließbar sind. Ein solches sogenanntes Bandrückschlagventil stellt eine besonders
kompakte Bauform eines Rückschlagventils dar und ermöglicht darüber hinaus einen besonders
kompakten Aufbau des Hydraulikmoduls einschließlich Integration in den Pleuelgrundkörper
und/oder Pleueldeckel.
[0028] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das wenigstens eine Rückschlagventil
nach radial außen öffnen. Ein solches Band-Rückschlagventil kann besonders günstig
auf dem Außenumfang des Gehäuses des Hydraulikmoduls angeordnet werden. Das Rückschlagventil
ist auf diese Weise sehr einfach zu montieren und ergibt eine kompakte Bauform des
Hydraulikmoduls.
[0029] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bandelement wenigstens eine in seiner
Umfangsfläche angeordnete radiale Öffnung aufweisen. Auf diese Weise lassen sich ein
kompakter Bauraum, gleichbleibende Funktionalität sowie ähnliche Bandsteifigkeiten
erreichen und es lassen sich besonders günstig parallele Drosselstellen zu den Rückschlagventilen
darstellen.
[0030] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Öffnung in Umfangsrichtung als Langloch
ausgebildet sein. Eine günstige Drosselstelle in einem Bandelement eines Rückschlagventils
stellt ein Langloch dar, welches durch Ausbildung seiner Länge den Strömungswiderstand
festlegt, der durch die geometrische Ausbildung geeignet variiert werden kann.
[0031] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bandelement wenigstens eine auf
seinem Umfang radial innenliegend angeordnete Nut aufweisen. Eine solche auf der Innenseite
des Bandelements angeordnete Nut stellt eine günstige Alternative zu einer Öffnung
wie einer Bohrung oder einem Langloch in Umfangsrichtung des Bandelements dar.
[0032] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel vorgeschlagen für eine Brennkraftmaschine
mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer
effektiven Pleuelstangenlänge mit einem Hydraulikmodul. Die Exzenter-Verstelleinrichtung
weist wenigstens einen ersten Zylinder und einen zweiten Zylinder auf. Dabei sind
sowohl jeweils ein Zulauf zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder über
eine Versorgungsleitung als auch jeweils ein Ablauf zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit
von den Zylindern vorgesehen.
[0033] Der erfindungsgemäße Pleuel benötigt vorteilhaft nur drei Hydraulikflüssigkeitsleitungen
im Pleuel-Grundkörper, wodurch eine günstige Fertigung erreicht werden kann. Weiter
wird nur ein 3/2-Wegeventil als Umschaltventil im Hydraulikmodul benötigt, was die
Konstruktion des Pleuels vorteilhaft vereinfacht. Die MKS-Hydraulikkammer kann von
der GKS-Hydraulikkammer in der ersten Schaltstellung niedriger Verdichtung ε
low vorgespannt werden. Günstigerweise werden so nur Differenzvolumina an Hydraulikflüssigkeit
zwischen GKS- und MKS-Hydraulikkammer mit der Lagerschale des Pleuels ausgetauscht,
d.h. es fließt keine zusätzliche Hydraulikflüssigkeit über die Hydraulikflüssigkeitsleitungen
in den Lagerschalen. Rückschlagventile und Drosseln lassen sich günstigerweise konstruktiv
in einem Hydraulikmodul integrieren. So kann der Hydraulikschaltplan für beide Varianten
ohne, bzw. mit zusätzlichem Rückschlagventil in einem Hydraulikmodul untergebracht
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0034] 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.
Es zeigen beispielhaft:
[0035]
- Fig. 1
- eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls mit eingezeichneten Schnittebenen
der in den Figuren 3 bis 17 dargestellten Längsschnitte;
- Fig. 2
- das Hydraulikmodul aus Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;
- Fig. 3
- einen Längsschnitt in Schnittebene A-A des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer ersten
Schaltstellung;
- Fig. 4
- einen Längsschnitt in Schnittebene B-B des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer ersten
Schaltstellung;
- Fig. 5
- einen Längsschnitt in Schnittebene C-C des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer ersten
Schaltstellung;
- Fig. 6
- einen Längsschnitt in Schnittebene D-D des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer ersten
Schaltstellung;
- Fig. 7
- einen Längsschnitt in Schnittebene E-E des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer ersten
Schaltstellung;
- Fig. 8
- einen Längsschnitt in Schnittebene A-A des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 während eines
Schaltvorganges;
- Fig. 9
- einen Längsschnitt in Schnittebene B-B des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 während eines
Schaltvorganges;
- Fig. 10
- einen Längsschnitt in Schnittebene C-C des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 während eines
Schaltvorganges;
- Fig. 11
- einen Längsschnitt in Schnittebene D-D des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 während eines
Schaltvorganges;
- Fig. 12
- einen Längsschnitt in Schnittebene E-E des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 während eines
Schaltvorganges;
- Fig. 13
- einen Längsschnitt in Schnittebene A-A des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer zweiten
Schaltstellung;
- Fig. 14
- einen Längsschnitt in Schnittebene B-B des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer zweiten
Schaltstellung;
- Fig. 15
- einen Längsschnitt in Schnittebene C-C des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer zweiten
Schaltstellung;
- Fig. 16
- einen Längsschnitt in Schnittebene D-D des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer zweiten
Schaltstellung;
- Fig. 17
- einen Längsschnitt in Schnittebene E-E des Hydraulikmoduls gemäß Fig. 2 in einer zweiten
Schaltstellung;
- Fig. 18
- einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Pleuels mit dem Hydraulikmodul
gemäß Fig. 2 in der ersten Schaltstellung;
- Fig. 19
- einen hydraulischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Pleuels mit dem Hydraulikmodul
gemäß Fig. 2 in der zweiten Schaltstellung und
- Fig. 20
- ein Druck-Hub-Diagramm des erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls mit einer Hystereseschleife.
Ausführungsformen der Erfindung
[0036] In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen
beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
[0037] Den Figuren 1 bis 17 ist ein erfindungsgemäßes Hydraulikmodul 10 in verschiedenen
Darstellungen und Schnitten zu entnehmen. Dabei zeigt Figur 1 eine Seitenansicht des
Hydraulikmoduls 10 mit verschiedenen eingezeichneten Schnittebenen, welche für die
Darstellungen in den Figuren 3 bis 17 verwendet wurden, während Figur 2 das Hydraulikmodul
aus Figur 1 in perspektivischer Darstellung zeigt. In den Figuren 3 bis 7 ist das
Hydraulikmodul 10 in einer ersten Schaltstellung S1 für hohe Verdichtung ε
high und in den Figuren 13 bis 17 in einer zweiten Schaltstellung S2 für niedrige Verdichtung
ε
low dargestellt. Die Figuren 8 bis 12 zeigen das Hydraulikmodul 10 bzw. die entsprechenden
Schnitte während eines Schaltvorganges, d.h. in einer Position zwischen den beiden
Schaltstellungen S1 und S2. Entsprechende hydraulische Schaltpläne eines erfindungsgemäßen
Pleuels 1 sind den Figuren 18 und 19 zu entnehmen.
[0038] Der erfindungsgemäße Pleuel 1 ist in den hydraulischen Schaltplänen gemäß den Figuren
18 und 19 lediglich schematisch dargestellt, beispielsweise jedoch aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt, auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird.
[0039] Wie in den Figuren 18, 19 dargestellt, weist der Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine
mit variabler Verdichtung beispielsweise eine nicht gänzlich und im Detail dargestellte
Exzenter-Verstelleinrichtung 40 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge
auf. Diese Exzenter-Verstelleinrichtung 40 umfasst einen ersten Zylinder 4 und einen
zweiten Zylinder 5 als Hydraulikkammern, wobei sowohl jeweils ein Zulauf 6, 7 zum
Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder 4, 5 als auch jeweils ein Ablauf
11, 12 zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern 4, 5 vorgesehen sind.
Das als Umschaltventil 41 ausgebildete und funktionierende Hydraulikmodul 10 weist
einen in einem Gehäuse 3 beweglichen Stufen-Kolben 17 auf, welcher wahlweise in eine
erste Schaltstellung S1 oder eine zweite Schaltstellung S2 verlagerbar ist, wobei
in der ersten Schaltstellung S1 der Ablauf 12 des zweiten Zylinders 5 und in der zweiten
Schaltstellung S2 der Ablauf 11 des ersten Zylinders 4 mit einer Versorgungsleitung
8 verbunden ist.
[0040] Die grundsätzliche Funktion des Umschaltventils 41 ist ebenfalls aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt.
[0041] Die Zylinder 4, 5 sind bei dem erfindungsgemäßen Hydraulikmodul 10 derart verbunden,
dass in der zweiten Schaltstellung S2 Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder
4 in den zweiten Zylinder 5 über einen Kanal 32 im Hydraulikmodul 10 leitbar ist.
[0042] Im Kolben 17 des Hydraulikmoduls 10 ist ein Schaltelement 36 zur Steuerung des Hydraulikfluidstroms
in dem Kanal 32 vorgesehen, welches beispielsweise als eine Umfangsnut 27 des Kolbens
17 vorgesehen ist, welche einen Teil des Kanals 32 bildet. Der Hydraulikflüssigkeitsstrom
ist im Kanal 32 über die Umfangsnut 27 durch ein axiales Verschieben des Kolbens 17
in die erste oder zweite Schaltstellung S1, S2 schaltbar. In der zweiten Schaltstellung
S2 ist der Ablauf 11 des ersten Zylinders 4 über die Umfangsnut 27 mit dem Zulauf
7 des zweiten Zylinders 5 verbindbar.
[0043] Der Zylinder 4 stellt dabei eine Hydraulikkammer auf der Gaskraftseite (GKS) des
Pleuels 1 dar, während der Zylinder 5 eine Hydraulikkammer auf der Massenkraftseite
(MKS) des Pleuels 2 darstellt.
[0044] Den Zylindern 4, 5 ist jeweils im Zulauf 6, 7 ein Rückschlagventil 18, 19 zugeordnet,
welches ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder 4, 5 ermöglicht und
ein Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern 4, 5 verhindert. Vorteilhaft
sind im Rahmen der Erfindung lediglich zwei Rückschlagventile 18, 19 notwendig. Weitere
Rückschlagventile müssen nicht vorgesehen werden. Zulauf 6, 7 und Ablauf 11, 12 eines
Zylinders 4, 5 münden jeweils in einer gemeinsamen Leitung 13, 14 in den Zylinder
4, 5.
[0045] Die Rückschlagventile 18, 19 sind in das Hydraulikmodul 10 integriert und weisen
als Schließelement ein im Wesentlichen ringförmiges Bandelement 33, 34 auf, welches
das Gehäuse 3 wenigstens teilweise auf seinem Umfang umschließt und am Gehäuse 3 wenigstens
teilweise abgestützt ist und mittels welchem in einer geschlossenen Position Arbeitsanschlüsse
21, 22 verschließbar sind. Die beiden Rückschlagventile 18, 19 öffnen nach radial
außen. Das Bandelement 33, 34 weist jeweils wenigstens eine in seiner Umfangsfläche
angeordnete radiale Öffnung 35 auf, wobei die Öffnung 35 in Umfangsrichtung als Langloch
ausgebildet ist. Alternativ kann das Bandelement 33, 34 wenigstens eine auf seinem
Umfang radial innenliegend angeordnete Nut aufweisen.
[0046] Der Ablauf 11 des ersten Zylinders 4 ist in der zweiten Schaltstellung S2 über eine
stirnseitige Querbohrung 28 und/oder über eine Schrägbohrung 29 mit der Umfangsnut
27 verbindbar.
[0047] In der Ausgangslage befindet sich der Pleuel 1 in der Schaltstellung S1 für hohe
Verdichtung ε
high. In diesem Betriebszustand ist die GKS-Hydraulikkammer 4 mit Hydraulikflüssigkeit,
beispielsweise Motoröl, gefüllt und die MKS-Hydraulikkammer 5 über den Ablauf 12 vorzugsweise
gedrosselt mit der Versorgungsleitung 8 verbunden, welche mit einer Versorgungsquelle
P verbunden ist. Der Stufen-Kolben 17 des Hydraulikmoduls 10 nimmt die in den Figuren
3 bis 7 dargestellte Position ein.
[0048] In dieser ersten Schaltstellung S1 ist wenigstens ein erster, der GKS-Hydraulikkammer
4 zugeordneter Arbeitsanschluss 21 des Gehäuses 3 des Hydraulikmoduls 10 mit einem
mit der Versorgungsleitung 8 in Verbindung stehenden Versorgungsanschluss 20 verbunden,
wie insbesondere in Figur 5 ersichtlich ist. Der Arbeitsanschluss 21, welcher mittels
des als Band-Rückschlagventil ausgebildeten Rückschlagventils 18 in Richtung Zylinder
4 öffenbar ist, ist hierfür mit dem als Querbohrung bzw. mehrere Querbohrungen ausgebildeten
Zulauf 6 verbunden, welcher über eine oder mehrere Radialbohrungen 15 mit dem Versorgungsanschluss
20 in Verbindung steht.
[0049] Der mit dem ersten Arbeitsanschluss 21 verbundene, vorzugsweise gedrosselte Ablauf
11 ist durch den Kolben 17 verschlossen, wie insbesondere aus Figur 4 in dem Längsschnitt
gemäß der Schnittebene B-B aus Figur 2 ersichtlich ist. Ein zweiter, der MKS-Hydraulikkammer
zugeordneter Arbeitsanschluss 22 ist über den Ablauf 12 und der Radialbohrung 15 mit
dem Versorgungsanschluss 20 verbunden, so dass sich die MKS-Hydraulikkammer 5 entleeren
kann. Wie in Figur 4 ersichtlich ist, wird dies über einen Ausschnitt des Stufen-Kolbens
17 realisiert.
[0050] Der Versorgungsanschluss 20 sowie die Arbeitsanschlüsse 21, 22 sind als umlaufende
Ringnuten ausgebildet, in welche die Zuläufe 6, 7, Abläufe 11, 12 sowie weitere Bohrungen
münden. Alle Bohrungen (Zulauf 6, 7, Ablauf 11, 12 etc.) im Gehäuse 3 können als jeweils
einzelne Bohrung vorgesehen sein, sind jedoch vorzugsweise mehrfach gleichmäßig über
den Umfang des Gehäuses 3 verteilt.
[0051] Wird der Druck von der Versorgungsquelle P, z.B. der Galeriedruck der Brennkraftmaschine,
erhöht, übersteigt die auf eine Stirnfläche 23 des Stufen-Kolbens 17 wirkende Druckkraft
die Federkraft einer den Kolben 17 beaufschlagenden Feder 24 und der Kolben 17 bewegt
sich entgegen der Federkraft und erlangt eine in den Figuren 8 bis 12 dargestellte
Position zwischen den beiden Schaltstellungen S1 und S2.
[0052] Der Stufen-Kolben 17 überfährt bei einem definierten Schalthub eine Kante 25 eines
Überstromkanals 26, welcher aus Figur 8 ersichtlich ist. Ab diesem Punkt vergrößert
sich die druckwirkende Fläche des Kolbens 17 schlagartig, sodass der Stufen-Kolben
17 in die andere Endlage bzw. in die Schaltstellung S2 schnappt, welche in den Figuren
13 bis 17 dargestellt ist.
[0053] Die Hydraulikflüssigkeit aus der GKS-Hydraulikkammer 4 kann über den Ablauf 11 und
den Versorgungsanschluss 20 gedrosselt nach P abfließen, während der Ablauf 12 der
MKS-Hydraulikkammer 5 über den Stufen-Kolben 17 verschlossen wird.
[0054] In der zweiten Schaltstellung S2 ist erfindungsgemäß Hydraulikflüssigkeit aus dem
ersten Zylinder 4 in den zweiten Zylinder 5 über einen Kanal im Hydraulikmodul 10
leitbar. Hierzu weist der Kolben 17 eine Umfangsnut 27 auf, welche durch die Schaltstellungen
S1, S2 aktivierbar und deaktivierbar ist.
[0055] Wie insbesondere den Figuren 16 und 17 entnehmbar ist, ist der Ablauf 11 des ersten
Zylinders 4 über eine oder mehrere stirnseitige Querbohrungen 28, eine oder mehrere
Schrägbohrungen 29 sowie die Umfangsnut 27 mit dem Zulauf 7 des zweiten Zylinders
5 ungedrosselt verbindbar.
[0056] Die MKS-Hydraulikkammer 5 saugt also Hydraulikflüssigkeit (Öl) aus der jetzt mit
der GKS-Hydraulikkammer 4 verbundenen Umfangsnut 27 des Stufen-Kolbens 17 über das
Rückschlagventil 19 an. So wird sichergestellt, dass der MKS-Hydraulikkammer 5 Hydraulikflüssigkeit
mit GKS-Kammerdruck zur Verfügung steht. Dadurch wird ein zuverlässigeres Befüllen
der MKS-Hydraulikkammer 5 im Vergleich zu einem direkten Ansaugen aus der Versorgungsquelle
P bei Galeriedruck erzielt.
[0057] Fällt der Druck in der Hydraulikgalerie der Brennkraftmaschine bzw. der Versorgungsquelle
P wieder ab, bewegt sich der Stufen-Kolben 17 in Federkraftrichtung zurück in die
Ausgangslage, d.h. in die Schaltstellung S1. Da die druckwirkende Fläche jedoch immer
noch vergrößert ist, wird die Schaltposition des Stufen-Kolbens 17 in anderer Richtung
erst bei geringerem Druck erreicht. Es stellt sich ein Hysterese-Verhalten ein, wie
in Figur 20 dargestellt.
[0058] Die Band-Rückschlagventile 18, 19 sind über den Außenumfang des Hydraulikmoduls 10
angeordnet, wodurch das Gesamtsystem Pleuel vereinfacht werden kann. Die Bandelemente
33, 34 sind mit Öffnungen 35 wie beispielsweise Schlitzen oder Löchern versehen, um
bei einem kompakten Bauraum, gleichbleibender Funktionalität, sowie ähnlichen Bandsteifigkeiten
ausreichend große Strömungsquerschnitte zu ermöglichen. Wie aus den schematischen
Schaltplänen gemäß den Figuren 18 und 19 hervorgeht, sind hierzu lediglich drei Bohrungen
im Grundkörper des Pleuels 1 notwendig, um das Hydraulikmodul für einen vorteilhaften
Betrieb der Exzenter-Verstelleinrichtung 40 zu betreiben.
[0059] Um die zusätzlich eingebrachten Bohrungen gegeneinander und nach außen hin abzudichten,
wird ein Verschlussring 30 in Kombination mit einer Dichtscheibe 31 in das Gehäuse
3 eingebracht und stirnseitig mit dem Gehäuse 3 verschweißt.
[0060] Figur 20 stellt ein Druck-Hub-Diagramm des erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls mit
einer Hystereseschleife dar. In dem Diagramm sind ein Hubverlauf des Stufen-Kolbens
17 bei steigendem Druck für einen Schaltvorgang von ε
high nach ε
low (durchgezogene Linie) sowie ein Hubverlauf bei fallendem Druck für einen Schaltvorgang
von ε
low nach ε
high (weit gestrichelte Linie). Weiter ist der Hub beim Umschalten eingezeichnet (eng
gestrichelte Linie).
[0061] Die dargestellte Hystereschleife des Hydraulikmoduls 10 spiegelt sich in einem bistabilen
Verhalten des Pleuels 1 wieder. Wird der Druck in der Galerie bzw. der Versorgungsquelle
P nie über einen gewissen Schaltdruck hinaus erhöht, befindet sich der Pleuel 1 stets
in dem Betriebszustand ε
high. Bei Überschreiten des Schaltdrucks wechselt der Pleuel 1 den Betriebszustand in
ε
low. Dieser Zustand wird solange gehalten, bis der Galeriedruck wieder einen bestimmten
Schaltdruck unterschreitet, der jedoch niedriger ist als in dem vorangegangenen Schaltvorgang.
[0062] Das erfindungsgemäße Hydraulikmodul ist so eine mögliche konstruktive Lösung für
das Vorspannen der MKS-Hydraulikkammer 5 kombiniert mit einem hydraulischen Umschaltventil
und integrierten Rückschlagventilen 18, 19.
[0063] Die Hydraulikflüssigkeitsversorgung der MKS-Hydraulikkammer 5 über den Galeriedruck
kann vorteilhaft über eine Umfangsnut 27 im Stufen-Kolben 17 deaktiviert und aktiviert
werden. Dafür sind im Gehäuse 3 des Hydraulikmoduls 10 eingebrachte stirnseitige Bohrungen
15, 28, 29 miteinander verschaltet.
[0064] Alternativ zu einer Umfangsnut 27 im Kolben 17 ist auch eine Formkontur auf dem Stufen-Kolben
17 denkbar, die bei Überschreiten eines gewissen Hubs einen federgelagerten Schieber
oder Schiebersystem öffnet, die wiederum eine Verbindung zwischen MKS-Kammer 5 und
GKS-Hydraulikkammer 4 ermöglicht.
[0065] Ein ähnliches System könnte in einer der beiden Endlagen zwei schiefe Ebenen aufeinander
schieben, die wiederum eine Ölverbindung deaktivieren oder aktivieren.
1. Hydraulikmodul (10) zum Steuern eines Hydraulikflüssigkeitsstroms eines Pleuels (1)
für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung
(40) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge,
wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung (40) wenigstens einen ersten Zylinder (4) und
einen zweiten Zylinder (5) als Hydraulikkammern aufweist und wobei sowohl jeweils
ein Zulauf (6, 7) zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder (4, 5) über
eine Versorgungsleitung (8) als auch jeweils ein Ablauf (11, 12) zum Abführen von
Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern (4, 5) vorgesehen sind,
wobei modulseitig wenigstens ein in einem Gehäuse (3) beweglicher Kolben (17) vorhanden
ist, welcher wahlweise in eine erste Schaltstellung (S1) oder eine zweite Schaltstellung
(S2) verlagerbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung (S1) der Ablauf (12) des
zweiten Zylinders (5) und in der zweiten Schaltstellung (S2) der Ablauf (11) des ersten
Zylinders (4) mit der Versorgungsleitung (8) verbunden ist,
wobei den Zylindern (4, 5) jeweils ein Rückschlagventil (18, 19) zugeordnet ist, welches
ein Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder (4, 5) ermöglicht und ein Abführen
von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern (4, 5) verhindert, und
wobei die Zylinder (4, 5) derart verbunden sind, dass in der zweiten Schaltstellung
(S2) Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder (4) in den zweiten Zylinder (5)
über einen Kanal (32) im Hydraulikmodul (10) leitbar ist.
2. Hydraulikmodul nach Anspruch 1, wobei ein Schaltelement (36) im Kolben (17) zur Steuerung
des Hydraulikfluidstroms in dem Kanal (32) vorgesehen ist.
3. Hydraulikmodul nach Anspruch 2, wobei das Schaltelement (36) als Formkontur auf dem
Kolben (17) vorgesehen ist.
4. Hydraulikmodul nach Anspruch 2, wobei als Schaltelement (36) eine Umfangsnut (27)
des Kolbens (17) vorgesehen ist, welche einen Teil des Kanals (32) bildet.
5. Hydraulikmodul nach Anspruch 4, wobei der Hydraulikflüssigkeitsstrom im Kanal (32)
über die Umfangsnut (27) durch ein axiales Verschieben des Kolbens (17) in die erste
oder zweite Schaltstellung (S1, S2) schaltbar ist.
6. Hydraulikmodul nach Anspruch 4 oder 5, wobei in der zweiten Schaltstellung (S2) der
Ablauf (11) des ersten Zylinders (4) über die Umfangsnut (27) mit dem Zulauf (7) des
zweiten Zylinders (5) verbindbar ist.
7. Hydraulikmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei in der zweiten Schaltstellung
(S2) der Ablauf (11) des ersten Zylinders (4) über eine stirnseitige Querbohrung (28)
und/oder über eine Schrägbohrung (29) mit der Umfangsnut (27) verbindbar ist.
8. Hydraulikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stirnseitige Bohrungen
(6, 28) des Gehäuses (3) mittels einer ringförmigen Dichtscheibe (31) und/oder eines
Verschlussringes (30) abgedichtet vorgesehen sind.
9. Hydraulikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückschlagventile
(18, 19) in das Hydraulikmodul (10) integriert sind.
10. Hydraulikmodul nach Anspruch 9, wobei wenigstens eines der Rückschlagventile (18,
19) als Schließelement ein im Wesentlichen ringförmiges Bandelement (33, 34) aufweist,
welches das Gehäuse (3) wenigstens teilweise auf seinem Umfang umschließt und am Gehäuse
(3) wenigstens teilweise abgestützt ist und mittels welchem in einer geschlossenen
Position Arbeitsanschlüsse (21, 22) verschließbar sind.
11. Hydraulikmodul nach Anspruch 10, wobei das wenigstens eine Rückschlagventil (18, 19)
nach radial außen öffnet.
12. Hydraulikmodul nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Bandelement (33, 34) wenigstens
eine in seiner Umfangsfläche angeordnete radiale Öffnung (35) aufweist.
13. Hydraulikmodul nach Anspruch 12, wobei die Öffnung (35) in Umfangsrichtung als Langloch
ausgebildet ist.
14. Hydraulikmodul nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Bandelement (33, 34) wenigstens
eine auf seinem Umfang radial innenliegend angeordnete Nut aufweist.
15. Pleuel (1) für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung
(40) zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, mit einem Hydraulikmodul
(10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung (40)
wenigstens einen ersten Zylinder (4) und einen zweiten Zylinder (5) aufweist und wobei
sowohl jeweils ein Zulauf (6, 7) zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder
(4, 5) über eine Versorgungsleitung (8) als auch jeweils ein Ablauf (11, 12) zum Abführen
von Hydraulikflüssigkeit von den Zylindern (4, 5) vorgesehen sind.