DE102005006054A1

DE102005006054A1 - Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102005006054A1
Application number: DE200510006054
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Sass; Dietmar Dipl.-Ing. Schröer; Petra Dr.-Ing. Stapf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen: DOLLAR A - mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben (2), DOLLAR A - einem Ölversorgungskreislauf, DOLLAR A - einer Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) mittels Öl, DOLLAR A - einem Steuergerät (7) und DOLLAR A - einem Schaltventil (6) zur Steuerung der Ölmenge zur Kühlung des Kolbens (2). DOLLAR A Bei diesem Verfahren wird das Schaltventil (6) vom Steuergerät (7) angesteuert, der Ölstrom durch die Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) wird betriebspunktabhängig gesteuert und das Schaltventil (6) wird geschlossen, wenn an einer anderen Stelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein vorübergehend erhöhter Ölbedarf vom Steuergerät (7) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Aus der DE 35 43 084 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kolbenkühlung in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem als Eingangsgrößen der Regelung der Kolbenkühlung verschiedene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wie Motorlast, Motordrehzahl, Öl- und Kühlmitteltemperatur herangezogen werden. Die Kolbenkühlung wird durch Anspritzen der Kolbenunterseite mit Öl aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine erreicht. Auf diese Weise wird ein Überhitzen des Kolbens und des daran angrenzenden Brennraumes verhindert.

Aus der JP 2003097269 A ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kolbenkühlung in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der motorbetriebszustandsabhängig ein Anspritzen von Öl zur Kolbenkühlung an die Kolbenunterseite erfolgt. Der Übergang von einem Zustand ohne Kolbenkühlung zu einem Zustand mit voller Kolbenkühlung erfolgt über eine Phase mit intermittierender Öleinspritzung an die Kolbenunterseite.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bereit zu stellen, bei dem eine Kühlung eines Kolbens mit Öl betriebspunktabhängig erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ventil zur Steuerung der Ölmenge zur Kühlung eines Kolbens geschlossen wird, wenn an einer anderen Stelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein vorübergehend erhöhter Ölbedarf von einem Steuergerät erfasst wird.

Ölverbraucher im Schmierölkreislauf, die ununterbrochen mit Öl versorgt werden müssen, sind

– viele Schmierstellen im Kurbeltriebwerk
– viele Schmierstellen im Antrieb der Ventilsteuerung und
– hydraulische Ventilspielausgleichselemente.

Ölverbraucher, die betriebspunktabhängig im Ölkreislauf zugeschaltet werden, sind die Ölspritzen zur Kolbenkühlung. Des Weiteren sind Ölverbraucher im Ölkreislauf angeordnet, die einen kurzzeitigen oder vorübergehend erhöhten Ölbedarf aufweisen, wie beispielsweise eine Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle oder die Gaswechselventile oder eine andere Vorrichtung, die hydraulisch gesteuert und betätigt wird. Wenn eine derartige Vorrichtung nur jeweils kurzzeitig einen erhöhten Ölbedarf aufweist, beispielsweise nur zum Zeitpunkt des Verstellens, ist es von der Dimensionierung des gesamten Ölkreislaufes her vorteilhaft, nicht alle möglichen Verbraucher mit ihrem maximalen Verbrauch zu berücksichtigen. In diesem Falle ist es vorteilhaft, bei kurzzeitig aktiven Verbrauchern andere Verbraucher in ihrem Verbrauch, soweit das von der Funktion her vertretbar ist, zu drosseln, einzuschränken oder gänzlich still zu setzen.

Der Grundgedanke bei diesem Verfahren besteht insbesondere darin, den Ölkreislauf nicht auf einen maximal möglichen Öldurchsatz bei allen zugeschalteten Verbrauchern im Kreislauf auszulegen, sondern durch ein intelligentes Abschalten von einzelnen Verbrauchern kurzzeitige Verbrauchsspitzen anderer Verbraucher auszugleichen. Auf diese Weise können die Ölpumpe, das Ölfilter und andere zum Ölkreislauf gehörende Elemente auf einen mittleren Öldurchsatz ausgelegt und kleiner ausgeführt werden. Dadurch werden die Bauteile kostengünstiger und leichter, und durch geringere Reibung und Leitungsverluste weist die gesamte Brennkraftmaschine einen besseren Wirkungsgrad auf.

Wenn beispielsweise das Verstellen einer Nockenwelle mittels Öldruck aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine während weniger Umdrehungen der Kurbelwelle erfolgt, so ist es ohne Weiteres vertretbar, während dieser Sekundenbruchteile die Kolbenkühlung mittels einer gesteuerten Ölspritzdüse zu unterbrechen, ohne dass der Kolben durch Überhitzung Schaden nimmt. Auf diese Weise bricht während des Verstellens der Nockenwelle aufgrund hohen Ölverbrauchs der Öldruck nicht zusammen und ein zuverlässiges Verstellen bei gleichzeitigem und ausreichendem Schmieren aller Lagerstellen ist gewährleistet.

Bei einem intermittierend angesteuerten Ventil zur Steuerung der Ölmenge zur Kühlung des Kolbens wird nur in den Zeitabschnitten, in denen das Ventil geöffnet ist, Öl zur Kolbenkühlung benötigt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Phasenlage des Ventils zeitlich so zu verschieben, dass eine Phase mit geschlossenem Ventil zu dem Zeitpunkt abläuft, zu dem an einer anderen Stelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein vorübergehend erhöhter Ölbedarf besteht, beispielsweise wenn die Nockenwelle verstellt wird. Auf diese Weise findet während der Betriebsweise mit intermittierender Ansteuerung des Ventils eine ausreichende Kolbenkühlung statt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung dient mindestens einer der folgenden Betriebsparameter Motordrehzahl, Motorlast, Kühlmitteltemperatur oder Schmieröltemperatur als Eingangsgröße des Steuergerätes. Mit diesen Eingangsgrößen ist es auf einfache Weise möglich, eine optimale Kühlung des Kolbens bei möglichst geringem Ölverbrauch durch die Vorrichtung zur Kolbenkühlung in Abhängigkeit der tatsächlichen Belastung des Kolbens zu ermöglichen. Die tatsächliche Belastung wird anhand der Betriebsparameter und gegebenenfalls von im Steuergerät abgelegten Werten aus Versuchsergebnissen ermittelt. Ausgehend von der damit ermittelten Belastung wird über die Phasenlänge und Phasenlage der intermittierenden Ansteuerung des Ventils die Kühlung des Kolbens eingestellt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine Schaltfrequenz des intermittierend angesteuerten Schaltventils einen Wert zwischen 0,1 Hz und 2 Hz auf. Bei den in Kraftfahrzeugen üblichen Brennkraftmaschinen, ist es möglich, die Phasen des intermittierend angesteuerten Ventils der Kolbenkühlung, in denen das Schaltventil geschlossen ist, so zu legen, dass sie mit den Schaltvorgängen in hydraulisch betätigten Vorrichtungen wie beispielsweise Einrichtungen zur Nockenwellenverstellung (Nockenwellenversteller) zusammenfallen. Derartige Schaltvorgänge an Nockenwellenverstellern sind im Allgemeinen in wenigen Umdrehungen der Nockenwelle abgeschlossen. Daher ist es in weiten Bereichen des Motorkennfeldes möglich, die Phasen des Schaltventils der Kolbenkühlung zeitlich so zu verschieben, dass nicht während einer hydraulischen Anforderung gleichzeitig das Schaltventil zur Kolbenkühlung geöffnet ist.

Die Schaltfrequenz und Öffnungsdauer des Schaltventils ist abhängig von der maximal möglichen Schaltfrequenz des Schaltventils und vom Kühlbedarf des Kolbens, der anhand der Betriebsparameter ermittelt wird. Bei einem heißen Kolben, das heißt bei hoher Last, und bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist der Kühlbedarf am Kolben so groß, dass das Schaltventil durchgehend in geöffnetem Zustand verbleibt und somit ein Dauerstrom des Öls auf die Kolbenunterseite gespritzt wird. Wenn in solchen Betriebspunkten eine kurzzeitige hydraulische Anforderung eines anderen Verbrauchers auftritt, kann die Kolbenkühlung für diesen kurzen Zeitabschnitt abgeschaltet werden. Bei mittleren Drehzahlen und mittleren Belastungen wird das Schaltventil so gesteuert, dass bei geringer Kolbenbelastung der Zeitanteil des geschlossenen Schaltventils größer ist als der Zeitanteil des geöffneten Schaltventils. Mit zunehmender Belastung steigt der Zeitanteil des geöffneten Ventils. Bei geringer thermischer Belastung des Kolbens ist das Schaltventil geschlossen. Bei mittleren und geringen Belastungen wird eine kurzzeitige hydraulische Anforderung eines anderen Ölverbrauchers und das intermittierende Öffnen des Schaltventils zur Kolbenkühlung vom Steuergerät so aufeinander abgestimmt, dass die kurzzeitige hydraulische Anforderung zu einem vorzeitigen Beenden der Öffnungsphase des Schaltventils führt. Die dadurch fehlende Kühlölmenge wird in einer nach Beendigung der hydraulischen Anforderung liegenden Öffnungsphase nachgespritzt, indem diese verlängert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steuert an jedem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Schaltventil eine Vorrichtung zur Kühlung des Kolbens an. Mehrere Schaltventile, die jeweils eine Vorrichtung versorgen, können als Einzelteil wesentlich kleiner gebaut werden, als ein großes Ventil, das den gesamten Ölstrom steuert. Kleine Schaltventile bieten den Vorteil, dass sie einfacher im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine anzuordnen sind und sie bieten die Möglichkeit höherer Schaltfrequenzen auf Grund ihrer geringen Massen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jedes Schaltventil vom Steuergerät separat angesteuert. Auf diese Weise kann individuell für jeden Kolben in den Zylindern der Brennkraftmaschine die Kühlung eingeregelt werden. Das ist von Vorteil, wenn die einzelnen Zylinder und Kolben durch Kühlmittel im Kurbelgehäuse nicht gleichmäßig gekühlt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steuert je ein Schaltventil eine Gruppe von Zylindern an. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise im Falle einer Teilabschaltung der Zylinder einer Brennkraftmaschine die zugehörigen Vorrichtungen zur Kolbenkühlung ebenfalls abzuschalten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steuert ein Schaltventil alle Vorrichtungen zur Kühlung des Kolbens gemeinsam an. Eine derartige Lösung der Aufgabe ist bei beengten Platzverhältnissen im Kurbelgehäuse von Vorteil, da nur ein einziges Schaltventil in einer gemeinsamen Zuleitung angeordnet werden muss ohne zwingend in der unmittelbaren Nähe der Vorrichtung zur Kolbenkühlung zu liegen. Des Weiteren ist ein großes Schaltventil kostengünstiger als mehrere kleinere Schaltventile.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Kolbenkühlung.
In der Figur ist eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kühlung von Kolben 2 in einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Brennkraftmaschine ist auf für die Erfindung wesentliche Merkmale reduziert dargestellt und weist einen Kolben 2, eine Pleuelstange 3, eine Kurbelwelle 4, eine Ölspritzdüse 5, ein Schaltventil 6 und ein Steuergerät 7 auf. Die Ölspritzdüse 5 ist in einem nicht gezeigten Kurbelgehäuse angeordnet und spritzt Öl von unten an die Unterseite des Kolbens 2, um ihn bei hoher Belastung zu kühlen. Das Öl wird von einer nicht gezeigten Pumpe in den Hauptölkanal 8 gefördert. Von dort wird eine Teilmenge über eine erste Leitung 9 zur Kurbelwelle 4 geleitet, um die Lagerung der Kurbelwelle und der Pleuelstange 3 zu schmieren. Eine weitere Teilmenge des von der Pumpe geförderten Öls wird über eine zweite Leitung 10 zur Ölspritzdüse 5 gefördert. Die restliche Ölmenge wird durch den verlängerten Hauptölkanal 8 in Richtung des nicht gezeigten Zylinderkopfes gefördert.
Der Ölstrom durch die zweite Leitung 10 wird durch ein Schaltventil 6 gesteuert. Das Schaltventil 6 seinerseits wird von einem Steuergerät 7 angesteuert, das mit den Eingangswerten verschiedener Betriebsparameter die Öffnungszeit des Schaltventils 6 errechnet. Die verschiedenen Betriebsparameter sind:

– die Motordrehzahl n,
– die momentane Motorlast P,
– die Temperatur TW des Kühlmittels,
– die Temperatur TÖ des Öls und/oder
– eine sogenannte hydraulische Anforderung H.

Eine hydraulische Anforderung H ist dann gegeben, wenn erfindungsgemäß bei einem anderen Ölverbraucher vorübergehend ein erhöhter Ölbedarf besteht. Dies kann beispielsweise ein nicht gezeigter, hydraulisch betätigter Nockenwellenversteller im Zylinderkopf oder eine hydraulisch betätigte Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine sein. Durch diese Regelstrategie kann für derartige Verstellvorgänge eine ausreichende Ölmenge und Öldruck bereitgestellt werden, ohne auf eine zuverlässige Kolbenkühlung zu verzichten.
Das Steuergerät 7 veranlasst das Schaltventil 6 abhängig vom Kühlbedarf des Kolbens 2 intermittierend zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Der Kühlbedarf des Kolbens 2 wird anhand der Betriebsparameter und/oder aus einem im Steuergerät 7 abgelegten Kennfeld ermittelt. Die Schaltfrequenz des intermittierend angesteuerten Schaltventils liegt dabei zwischen 0,1 Hz und 2 Hz. Das heißt, dass außer bei höchster Belastung des Kolbens das Schaltventil mit einer Schaltfrequenz aus dem genannten Bereich öffnet und schließt.
Bei höchster Belastung des Kolbens 2, das heißt beispielsweise bei Volllast und Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine, ist die Ölspritzdüse 5 dauernd geöffnet, um einen Schaden am Kolben 2 durch Überhitzung zu verhindern. Bei Volllast und mittleren oder niedrigen Drehzahlen oder bei Teillast wird das Schaltventil 6 intermittierend mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen und Öffnungsdauern angesteuert. Mit steigender Belastung des Kolbens 2 wird der Zeitanteil, an dem das Schaltventil 6 geöffnet ist, vergrößert, um auf diese Weise einer Überhitzung des Kolbens entgegen zu wirken. Bei Teillast und niedrigen Drehzahlen oder Leerlauf wird das Schaltventil 6 geschlossen, da bei diesen Betriebspunkten kein zusätzlicher Kühlbedarf am Kolben 2 besteht.
Im Falle einer hydraulischen Anforderung H, wenn das Steuergerät 7 einen kurzzeitig erhöhten Bedarf an Öldruck oder Ölvolumen beispielsweise für einen Nockenwellenversteller erfasst, wird das Schaltventil geschlossen. In diesem kurzen Zeitabschnitt des geschlossenen Schaltventils 6 ist es möglich, einen Nockenwellenversteller mit Öldruck zu versorgen, ohne dass der Öldruck des gesamten Ölkreislaufes zusammenbricht oder der Ölkreislauf von vornherein überdimensioniert ausgelegt werden muss. Ein Verstellen eines Nockenwellenverstellers erfolgt innerhalb weniger Umdrehungen der Kurbelwelle 4. Daher ist die Zeitspanne des erhöhten Ölbedarfs, der sogenannten hydraulischen Anforderung H, immer kürzer als ein Zeitabschnitt eines geschlossenen Schaltventils 6. Nach Ablauf der hydraulischen Anforderung kann die fehlende Kühlölmenge in einer verlängerten Öffnungsphase nachträglich an den Kolben gespritzt werden. Dessen thermische Trägheit lässt dieses Verfahren zu. Bei Volllast und Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine ist der Ölvolumenstrom und der Öldruck ausreichend groß, so dass für die zusätzlichen hydraulischen Verbraucher, auch bei dauernd geöffneten Ölspritzdüsen, ausreichend Öldruck vorhanden ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen – mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben (2), – einem Ölversorgungskreislauf, – einer Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) mittels Öl, – einem Steuergerät (7) und – einem Schaltventil (6) zur Steuerung der Ölmenge zur Kühlung des Kolbens (2), wobei das Schaltventil (6) vom Steuergerät (7) angesteuert wird und den Ölstrom durch die Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) betriebspunktabhängig steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (6) geschlossen wird, wenn an einer anderen Stelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein vorübergehend erhöhter Ölbedarf vom Steuergerät (7) erfasst wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der folgenden Betriebsparameter – Motordrehzahl, – Motorlast, – Kühlmitteltemperatur oder – Schmieröltemperatur als Eingangsgröße des Steuergerätes (7) dient.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer intermittierender Ansteuerung des Schaltventils eine Schaltfrequenz (6) einen Wert zwischen 0,1 und 2 Hz aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Schaltventil (6) eine Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) ansteuert.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an jeweils einer Gruppe von Zylindern der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Schaltventil (6) eine Vorrichtung (5) zur Kühlung des Kolbens (2) ansteuert.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaltventil (6) vom Steuergerät (7) separat angesteuert wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltventil (6) alle Vorrichtungen (5) zur Kühlung des Kolbens (2) gemeinsam ansteuert.