DE102013201415A1 - Method for cooling piston of internal combustion engine, involves adjusting injector nozzle such that impingement of internal beam is directed to piston head in defined position opposite to impact zones of cooling oil jet - Google Patents

Method for cooling piston of internal combustion engine, involves adjusting injector nozzle such that impingement of internal beam is directed to piston head in defined position opposite to impact zones of cooling oil jet Download PDF

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Abstract

The method involves injecting a cooling oil filled in an integrated cooling duct (7) through a cooling oil jet (11) to the underside (12) of a piston head (5). A stationary internal beam (16) is arranged in the oil jet of an internal combustion engine (1). A multi-hole injector nozzle (15) is adjusted by an adjusting unit (20) such that an impingement (17) of the stationary internal beam is directed towards the piston head in a defined position opposite to the impact zones (13) of the oil jet formed on the underside of the piston head. An independent claim is included for an internal combustion engine with a piston.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem im Kolben integrierten, umlaufenden Kühlkanal mit zugehörigem, mit Kühlöl befüllten Druckraum, von dem ausgehend das Kühlöl über mehrere Kühlöldüsen als Kühlölstrahl an eine Unterseite eines Kolbenbodens gespritzt wird, der gegenseitig von zumindest einem Brennstrahl einer ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten Kraftstoff-Einspritzdüse beaufschlagt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach den Merkmalen des Oberbegriffes des unabhängigen Patentanspruchs 3.The invention relates to a method for producing a piston of an internal combustion engine, consisting of an integrated in the piston, circumferential cooling channel with associated, filled with cooling oil pressure chamber from which the cooling oil is sprayed via a plurality of cooling oil nozzles as a cooling oil jet to a bottom of a piston crown, the mutually by at least one combustion jet of a stationary arranged in the internal combustion engine fuel injector is acted upon. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with a piston according to the features of the preamble of independent claim 3.

Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bzw. zur Erreichung von Emissionszielen und Verbrauchszielen werden zur Optimierung der Verbrennung die Verbrennungstemperaturen und die Verbrennungsdrücke angehoben, wodurch insbesondere das Kolbenoberteil thermisch stark beansprucht wird. Die Betriebstemperatur des Kolbens derartiger Brennkraftmaschinen kann die zulässigen Grenzen von dem Kolbenwerkstoff überschreiten. Damit verbunden ist die Gefahr einer Materialermüdung bzw. einer Wärmealterung, bei der der Kolbenwerkstoff an Festigkeit und Formsteifigkeit verliert. Um die thermischen Belastungen des Kolbens zu minimieren, werden Kolben eingesetzt, in denen ein ringförmiger Kühlkanal integriert ist, in den als Kühlmittel eine Teilmenge von dem Schmieröl der Brennkraftmaschine über eine Einspritzdüse eingespritzt wird, den Kühlkanal durchströmt und dann austritt.In order to comply with emission limit values or to achieve emission targets and consumption targets, the combustion temperatures and the combustion pressures are raised to optimize the combustion, whereby in particular the piston upper part is subjected to high thermal stress. The operating temperature of the piston of such internal combustion engines may exceed the allowable limits of the piston material. This is associated with the risk of material fatigue or heat aging, in which the piston material loses strength and dimensional stability. In order to minimize the thermal stresses on the piston, pistons are used in which an annular cooling channel is integrated, in which a portion of the lubricating oil of the internal combustion engine is injected via an injection nozzle as a coolant, flows through the cooling channel and then exits.

Die DE 197 50 021 A1 offenbart einen Kühlkanalkolben, bei dem im Bereich des Ringfeldes radial versetzt zu einer Mantelfläche ein ringförmiger Kühlkanal integriert ist. Durch den oszillierenden Kolben entsteht ein die Kühlwirkung verstärkender sogenannter Shakereffekt. Die Wärmeabfuhr des durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels wird dabei weiterhin von dem Volumendurchsatz des Kühlmediums bestimmt, das durch den Kühlkanal strömt. Die DE 10 2006 013 884 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Kolben, der einen umlaufenden Kühlkanal einschließt mit einer parallel zum Kolbenboden angeordneten, ringförmigen Trennwand. Über mehrere in der Trennwand eingebrachte düsenartige Öffnungen wird das Kühlöl jeweils als Austrittsstrahl gegen die Unterseite des Kolbenbodens gespritzt. Brennraumseitig wird der Kolbenboden von Brennstrahlen einer Kraftstoffeinspritzdüse beaufschlagt.The DE 197 50 021 A1 discloses a cooling channel piston, in which in the region of the ring field radially offset from an outer surface, an annular cooling channel is integrated. The oscillating piston creates a so-called shaker effect that enhances the cooling effect. The heat dissipation of the coolant flowing through the cooling channel is still determined by the volume flow rate of the cooling medium flowing through the cooling channel. The DE 10 2006 013 884 A1 shows a generic piston, which includes a circumferential cooling channel with an arranged parallel to the piston head, annular partition. About several introduced in the partition nozzle-like openings, the cooling oil is injected in each case as a discharge jet against the underside of the piston crown. On the combustion chamber side, the piston crown is acted upon by combustion jets of a fuel injection nozzle.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer optimierten Kühlung in thermisch belasteten Zonen bereitzustellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens anzubieten.The object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine with optimized cooling in thermally stressed zones, and to offer a method for producing the piston.

Diese Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 3 gelöst.This object is solved by the features of independent claims 1 and 3.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine als Mehrlocheinspritzdüse ausgebildete Kraftstoffeinspritzdüse eingesetzt ist. Die mittels einer Justiereinheit lageorientierte Einspritzdüse ist so ausgerichtet, dass die Auftreffbereiche bzw. die Auftreffpunkte der Brennstrahlen auf dem Kolbenboden in einer definierten Lage zu den gegenüberliegenden Auftreffzonen der Kühlölstrahlen ausgerichtet sind. Die Mehrlocheinspritzdüse kann mit Hilfe der Justiereinheit so eingestellt werden, dass deren Brennstrahlen stets mit gleichen Distanzwinkeln zu den Auftreffzonen von Kühlölstrahlen der Kühlöldüsen den Kolbenboden auf der gegenüberliegenden Seite beaufschlagen. Mit der erfindungsgemäßen Justierung bzw. Ausrichtung der Mehrlocheinspritzdüse kann in der Brennraumzone die von dem verdampfenden Kraftstoff-Einspritzstrahl oder Brennstrahl beeinflusste maximale Arbeitsgastemperatur aufgrund einer Verdampfungs- bzw. Innenkühlung vermindert werden. Bei der Montage bietet die Justierbarkeit der Mehrlocheinspritzdüse vor einer anschließenden Fixierung die Möglichkeit, die Mehrlocheinspritzdüse so auszurichten, dass sich ein gewollter Versatz der Brennstrahl-Auftreffbereiche zu den Auftreffzonen des Kühlöls einstellt. Durch den Versatz kann vorteilhaft eine reduzierte Kolbenkopftemperatur in Umfangsrichtung, insbesondere die Muldenrandtemperatur der Brennraummulde sowie die Temperatur der Kühlkanaloberfläche erreicht werden.According to the invention, a method is provided in which a multi-hole injection nozzle designed fuel injector is used. The position-oriented by means of an adjusting unit injection nozzle is oriented so that the impact areas or the points of impingement of the combustion jets are aligned on the piston head in a defined position to the opposite impact zones of the cooling oil jets. The multi-hole injection nozzle can be adjusted with the aid of the adjustment unit so that their combustion jets always act on the opposite side of the piston head with the same distance angles to the impact zones of cooling oil jets of the cooling oil nozzles. With the inventive adjustment or alignment of the multi-hole injection nozzle, the maximum working gas temperature influenced by the evaporating fuel injection jet or combustion jet can be reduced in the combustion chamber zone due to evaporation or internal cooling. During assembly, the adjustability of the multi-hole injection nozzle before a subsequent fixation offers the possibility of aligning the multi-hole injection nozzle so that a desired offset of the focal jet impact areas adjusts to the impact zones of the cooling oil. As a result of the offset, it is advantageously possible to achieve a reduced piston head temperature in the circumferential direction, in particular the bowl rim temperature of the combustion bowl and the temperature of the cooling channel surface.

Weiterhin stellt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine gewünschte verminderte Schwankungsbreite der Kolbenbodentemperatur in Umfangsrichtung ein, wodurch sich die Gefahr einer Materialermüdung und eines Materialversagens an der Oberseite des Kolbenbodens verringert. Die erfindungsgemäße Justiereinheit bietet eine einfache und wirksame Lösung zur Senkung der Kolbentemperatur, wobei die verbesserte Wärmeabführung keinen nachteiligen Einfluss auf die Festigkeit des Kolbens nimmt. Vorteilhaft führt die technisch problemlos umsetzbare und kostengünstig realisierbare Justierung der Mehrlocheinspritzdüse weiterhin zu einer verbesserten Langzeittemperaturstabilität sowie zu einer gesteigerten Kolbenlaufzeit bzw. Lebensdauer des Kolbens. Die sich damit einstellenden verlängerten Wartungsintervalle für den Kolbenboden ergeben sich insbesondere durch einen verminderten Ölkohleaufbau an der Kühlkanaloberfläche, der den Verschleiß entscheidend reduziert.Furthermore, the method according to the invention sets a desired reduced fluctuation width of the piston crown temperature in the circumferential direction, which reduces the risk of material fatigue and material failure at the top of the piston crown. The adjustment unit according to the invention provides a simple and effective solution for lowering the temperature of the piston, wherein the improved heat dissipation does not adversely affect the strength of the piston. Advantageously, the adjustment of the multi-hole injection nozzle, which can be implemented without any difficulty in terms of technology and cost-effective, furthermore leads to improved long-term temperature stability and to an increased piston running time or service life of the piston. The thus adjusting extended maintenance intervals for the piston crown arise in particular by a reduced carbon buildup on the cooling channel surface, which significantly reduces wear.

Zur Justierung der Mehrlocheinspritzdüse in einer definierten Lage ist gemäß der Erfindung bevorzugt eine Markierung an dem Düsengehäuse vorgesehen, das mit zumindest einer weiteren Markierung an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung gebracht werden kann. Dieses Verfahren eignet sich vorteilhaft für Mehrlocheinspritzdüsen, die mit einem Gewinde zentral und in Zylinderachsrichtung in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden. Die bevorzugt mehreren, gleich beabstandeten Markierungen am Düsengehäuse können mit entsprechenden Markierungen gleicher Anzahl am Zylinderkopf innerhalb eines zulässigen Intervalls für das Anzugsdrehmoment der Düsenbefestigung in Übereinstimmung gebracht werden, um eine definierte Lage der Mehrlocheinspritzdüse einzustellen. Mit steigender Anzahl der Markierungen verkleinert sich der Anzugswinkel, mit dem nach Erreichen des Anzug-Sollmoments die Verschraubung zur Einspritzdüsenbefestigung zwecks deren Positionierung in ihrer korrekten Lage weiter anzuziehen ist.In order to adjust the multi-hole injection nozzle in a defined position, a marking is preferably provided on the nozzle housing according to the invention, which is provided with at least one further marking on a stationary component, in particular on Cylinder head of the internal combustion engine can be brought into agreement. This method is advantageously suitable for multi-hole injection nozzles, which are screwed with a central thread and in Zylinderachsrichtung in a cylinder head. The preferred plurality of equally spaced indicia on the nozzle housing may be matched to corresponding indicia of the same number on the cylinder head within an allowable interval for the tightening torque of the nozzle mount to adjust a defined location of the multi-hole injector. As the number of markers increases, the tightening angle decreases, and after the desired tightening torque has been reached, the screw connection to the injection nozzle attachment can be tightened further in order to position it in its correct position.

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem ölgekühlten Kolben, wobei Brennstrahlen einer Mehrlocheinspritzdüse gezielt versetzt zu den Kühlölstrahlen den Kolbenboden beaufschlagen. Die mittels einer Justiereinheit in Umfangsrichtung ausgerichtete Mehrlocheinspritzdüse ist so eingebaut, dass zumindest eine Markierung der Mehrlocheinspritzdüse mit zumindest einem ortsfesten Fixpunkt der Brennkraftmaschine übereinstimmt. Alle Ausführungsvarianten der Justiereinheit gewährleisten eine wiederholbare lageorientierte Ausrichtung und anschließende Fixierung der Mehrlochdüse und somit eine wirksame Abdichtung gegenüber dem Brennraum.The invention relates to an internal combustion engine having an oil-cooled piston, wherein combustion jets of a multi-hole injection nozzle specifically offset from the cooling oil jets act on the piston crown. The aligned by means of an adjusting unit in the circumferential direction multi-hole injection nozzle is installed so that at least one mark of the multi-hole injection nozzle coincides with at least one stationary fixed point of the internal combustion engine. All variants of the adjustment unit ensure a repeatable position-oriented alignment and subsequent fixation of the multi-hole nozzle and thus an effective seal against the combustion chamber.

Bevorzugt schließt die Justiereinheit für die ausrichtbare Mehrlocheinspritzdüse eine reibschlüssige Befestigung, vorzugsweise eine Schraubenverbindung ein. Dazu bietet sich an, dass ein Außengewinde der Mehrlocheinspritzdüse in eine Gewindebohrung des Zylinderkopfs verschraubt wird, wobei mittels zugehöriger Markierungen die Justierung erfolgen kann. Alternativ dazu kann die Befestigung der mittels einer Justierung ausrichtbaren Mehrlocheinspritzdüse einen Bajonettverschluss einschließen oder eine Flanschlösung mit Zentrierbohrung und Langlöchern im Flansch sowie zugehörigen Markierungen am Gehäuse, über die eine Justierung der Mehrlocheinspritzdüse vorgenommen werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor genannten Maßnahmen zur erfindungsgemäßen Justierung von Mehrlochdüsen beschränkt.Preferably, the adjusting unit for the alignable multi-hole injection nozzle includes a frictional attachment, preferably a screw connection. For this purpose, it is advisable that an external thread of the multi-hole injection nozzle is screwed into a threaded bore of the cylinder head, wherein by means of associated markings adjustment can be made. Alternatively, the attachment of the multi-hole injection nozzle orientable by means of an adjustment may include a bayonet fitting or a flanged solution with centering bore and slots in the flange and associated markings on the housing via which adjustment of the multi-hole injection nozzle can be made. However, the invention is not limited to the aforementioned measures for the inventive adjustment of multi-hole nozzles.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Mehrlocheinspritzdüse mittels der Justiereinheit so ausgerichtet, dass deren Brennstrahlen jeweils mittig zwischen zwei Auftreffzonen der Kühlölstrahlen auf den Kolbenboden treffen. Dabei ergibt sich eine übereinstimmende Lage von den Auftreffbereichen der Brennstrahlen und den Auftreffzonen der Kühlölstrahlen auf einem gemeinsamen Hüllkreis, der weitestgehend mit einem Muldenrand des Kolbens übereinstimmt. Vorteilhaft wird der obere Scheitel des dem Muldenrand direkt gegenüberliegenden Kühlkanals von den Kühlölstrahlen angespritzt, wobei die Brennstrahlen der erfindungsgemäß ausgerichteten Mehrlocheinspritzdüse jeweils mittig zwischen zwei Auftreffzonen der Kühlölstrahlen den Kolbenboden beaufschlagen. Mit dieser Maßnahme kann die Muldenrandtemperatur entscheidend reduziert werden.According to a preferred embodiment of the invention, the multi-hole injection nozzle is aligned by means of the adjusting unit so that their combustion jets each hit centrally between two impact zones of the cooling oil jets on the piston head. This results in a matching position of the impact areas of the combustion jets and the impact zones of the cooling oil jets on a common enveloping circle, which largely coincides with a trough edge of the piston. The top vertex of the cooling channel directly opposite the trough edge is advantageously injection molded by the cooling oil jets, wherein the combustion jets of the multi-hole injection nozzle aligned in accordance with the invention act on the piston head centrally between two impact zones of the cooling oil jets. With this measure, the bowl rim temperature can be significantly reduced.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Brennstrahlen der Mehrlocheinspritzdüse mit der Anzahl der Kühlöldüsen übereinstimmt, wobei jeweils ein äquidistanter Abstand bzw. Versatz zwischen den Auftreffzonen der Kühlölstrahlen und der Brennstrahlen vorgesehen ist. Beispielsweise bei Konfiguration einer 12-Loch-Einspritzdüse in Verbindung mit der Anordnung von 12 äquidistant positionierten Kühlöldüsen pro Kolben sind die Auftreffzonen der Brenn- oder Kraftstoffstrahlen der Mehrlocheinspritzdüse bevorzugt mittig zwischen zwei Kühlölstrahlen bzw. deren Auftreffzonen angeordnet. Die Anordnung erfolgt so, dass die Projektion einer jeden Brennstrahlachse in eine zur Zylinder- oder Kolbenachse normale Ebene genau mittig erfolgt, d. h. mit gleichen Distanzwinkeln zwischen der Projektion der jeweils direkt benachbarten Kühlölstrahlachsen Brennstrahlen in derselben Projektionsebene positioniert ist.A further preferred embodiment of the invention provides that the number of combustion jets of the multi-hole injection nozzle coincides with the number of cooling oil nozzles, wherein in each case an equidistant distance or offset between the impact zones of the cooling oil jets and the combustion jets is provided. For example, when configuring a 12-hole injection nozzle in conjunction with the arrangement of 12 equidistantly positioned cooling oil nozzles per piston, the impact zones of the fuel jets of the multi-hole injection nozzle are preferably located centrally between two cooling oil jets or their impact zones. The arrangement is such that the projection of each focal jet axis in a plane normal to the cylinder or piston axis is exactly centered, d. H. With the same distance angles between the projection of each directly adjacent cooling oil beam axes Brennstrahl is positioned in the same projection plane.

Ferner sieht ein erfindungsgemäßes Konzept vor, dass sich die Anzahl der Kühlölstrahlen der Kühlöldüsen von der Anzahl der Brennstrahlen der Mehrlocheinspritzdüse unterscheidet. Für eine Auslegung, bei der die Anzahl der Kühlöldüsen die Anzahl der Brenn- bzw. Kraftstoffeinspritzstrahlen übertrifft, ist bevorzugt eine Kühlöldüsenanzahl vorgesehen, die ein ungerades ganzzahliges Vielfaches, beispielsweise 5, 7 oder 9 vorsieht, gegenüber der Anzahl der Brennstrahlen. Bei einer größeren Anzahl der Kühlölstrahlen bietet es sich an, dass jedem Brennstrahl-Auftreffbereich unmittelbar ein Kühlölstrahl zugeordnet ist sowie weitere Kühlölstrahlen die Kolbenbodenunterseite zwischen den Auftreffzonen der Brennstrahlen beaufschlagen. Vorteilhaft kann für diese Konfigurationen jedem Brennstrahl eine Kühlöldüse so zugeordnet werden, dass deren Kühlölstrahl in einer mit dem Brennstrahl übereinstimmenden Vertikalebene ausgerichtet ist. Diese Maßnahme begünstigt eine Verdampfungskühlung zur Absenkung der Kolbentemperatur. Optional ist dazu eine Auslegung vorgesehen, bei der die unmittelbar den Auftreffbereichen der Brennstrahlen zugeordneten Kühlöldüsen einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweisen als die weiteren zwischen den Brennstrahlen positionierten Kühlöldüsen. Vorteilhaft ist die mittels der Justiereinheit ausgerichtete Mehrlocheinspritzdüse formschlüssig in eine Aufnahme des Zylinderkopfes eingesetzt und durch eine Sicherung lagefixiert.Furthermore, a concept according to the invention provides that the number of cooling oil jets of the cooling oil nozzles differs from the number of combustion jets of the multi-hole injection nozzle. For a design in which the number of the cooling oil nozzles exceeds the number of the fuel injection jets, it is preferable to provide a cooling oil nozzle number that provides an odd integer multiple, for example, 5, 7, or 9, to the number of the burning jets. In a larger number of cooling oil jets, it is advisable that each Brennstrahl-impact area directly associated with a cooling oil jet and further cooling oil jets act on the piston bottom bottom between the impact zones of the combustion jets. Advantageously, for each of these configurations, a cooling oil nozzle can be assigned to each firing jet so that its cooling oil jet is aligned in a vertical plane matching the firing jet. This measure favors evaporative cooling to lower the bulb temperature. Optionally, a design is provided for this purpose, in which the cooling oil nozzles assigned directly to the impact regions of the combustion jets have a smaller opening cross-section than the further cooling oil nozzles positioned between the combustion jets. Advantageously, aligned by means of the adjusting multi-hole injection nozzle is positively inserted into a receptacle of the cylinder head and fixed in position by a fuse.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Dabei zeigt: Further features of the invention will become apparent from the following description of the figures, are shown in the embodiments of the invention, wherein the invention is not limited to these embodiments. Showing:

1: schematisch dargestellt einen Querschnitt einer Kolben-Zylindereinheit einer Brennkraftmaschine, die eine erfindungsgemäße Kühlung des Kolbens einschließt, 1 FIG. 1 schematically shows a cross section of a piston-cylinder unit of an internal combustion engine, which includes a cooling of the piston according to the invention, FIG.

2: die Draufsicht auf einen Kolben mit einer Darstellung von Brennstrahlen einer Mehrlocheinspritzdüse, zwischen denen eine Kühlöl-Auftreffzone vorgesehen ist, 2 FIG. 2: the plan view of a piston with a depiction of firing jets of a multi-hole injection nozzle, between which a cooling oil impingement zone is provided, FIG.

3: eine der 2 vergleichbare Darstellung, wobei zwischen den Brennstrahl-Auftreffzonen der Mehrlocheinspritzdüse jeweils zwei Kühlöl-Auftreffzonen vorgesehen sind, 3 : one of the 2 comparable representation, wherein two cooling oil impingement zones are provided in each case between the combustion jet impingement zones of the multi-hole injection nozzle,

4: eine mit der 3 weitestgehend übereinstimmende Darstellung, bei der zusätzlich im Bereich der Brennstrahlauftreffzone jeweils eine Kühlöl-Auftreffzone vorgesehen ist, 4 : one with the 3 Largely coincident representation, in each of which a cooling oil impingement zone is provided in the area of the focal jet impact zone,

5: eine graphische Darstellung der Muldenrandtemperatur bei einer übereinstimmenden Anordnung der Kühlölstrahlen und der Brennstrahlen, 5 FIG. 4 is a graphical representation of the bowl rim temperature with a coincident arrangement of the cooling oil jets and the burn jets. FIG.

6: eine graphische Darstellung der Muldenrandtemperatur bei einem Versatz zwischen den Kühlölstrahlen und den Brennstrahlen. 6 FIG. 4 is a plot of bowl temperature at offset between the cooling oil jets and the jets. FIG.

Die 1 zeigt eine Kolben-Zylindereinheit einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem oszillierenden, in einem Zylinder 2 geführten Kolben 1, die gemeinsam mit einem Zylinderkopf 4 einen Brennraum 3 begrenzen. Brennraumseitig bildet der Kolben 1 zentrisch in einem Kolbenboden 5 eine Brennraummulde 6. In dem flüssigkeitsgekühlten Kolben 1 ist ein umlaufender Kühlkanal 7 integriert, der einen mit Kühlöl gefüllten, umlaufenden Druckraum 8 umfasst, der zumindest zwei Versorgungsbohrungen 9, einen Zulauf und einen Ablauf, einschließt. Über umfangsverteilt positionierte, bevorzugt als Einzeldüsen ausgebildete Kühlöldüsen 10 oder düsenartig ausgebildete Öffnungen des Druckraums 8 wird im Betriebszustand Kühlöl als Kühlölstrahl 11 an eine Unterseite 12 des Kolbenbodens 5 gelenkt. Dabei besteht eine weitestgehende Lageübereinstimmung zwischen einer von dem Kühlölstrahl 11 gebildeten Auftreffzone 13 und einem die Brennraummulde 6 umschließenden Muldenrand 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens 5. In dem Zylinderkopf 4 ist eine Mehrlocheinspritzdüse 15 angeordnet, die mit einem in den Brennraum 3 hineinragenden Ende über mehrere Düsenlöcher Kraftstoff als Brennstrahlen 16 direkt in den Brennraum 3 einspritzt. Die Einspritzung erfolgt so, dass Auftreffbereiche 17 der Brennstrahlen 16 auf den Muldenrand 14 gerichtet sind, wobei sich ein Kreisumfang oder Hüllkreis einstellt, auf dem gegenüberliegend im Kühlkanal 7 die Auftreffzonen 13 von Kühlmittelstrahlen 11 beaufschlagt werden. Als Maßnahme, um eine definierte Lage, beispielsweise einen Versatz oder eine Lageübereinstimmung zwischen den Auftreffzonen 13 der Kühlölstrahlen 11 und den Auftreffbereichen 17 der Brennstrahlen 16 herzustellen, ist für die Mehrlocheinspritzdüse 15 eine Justiereinheit 20 vorgesehen. Eine definierte, gerichtete Einbaulage der Mehrlocheinspritzdüse 15 ist erreichbar, indem eine Markierung 22 so an einem Gehäuse 21 der Mehrlocheinspritzdüse 15 angebracht wird, dass diese übereinstimmt mit einer weiteren Markierung 23 am Zylinderkopf 4. Bevorzugt ist dazu die Mehrlocheinspritzdüse 15 über ein Außengewinde 24 in eine Gewindebohrung 25 des Zylinderkopfs 4 eingeschraubt.The 1 shows a piston-cylinder unit of an internal combustion engine, consisting of an oscillating, in a cylinder 2 guided piston 1 that work together with a cylinder head 4 a combustion chamber 3 limit. On the combustion chamber side, the piston forms 1 Centric in a piston bottom 5 a combustion bowl 6 , In the liquid-cooled flask 1 is a circulating cooling channel 7 integrated, the one filled with cooling oil, circulating pressure chamber 8th includes, the at least two supply holes 9 , an inlet and a drain. Positioned circumferentially distributed, preferably designed as individual nozzles cooling oil nozzles 10 or nozzle-like openings of the pressure chamber 8th is in the operating state of cooling oil as a cooling oil jet 11 to a bottom 12 of the piston crown 5 directed. In this case, there is a largely coincident position between one of the cooling oil jet 11 formed impact zone 13 and one the combustion bowl 6 enclosing trough edge 14 on the opposite side of the piston crown 5 , In the cylinder head 4 is a multi-hole injection nozzle 15 arranged with one in the combustion chamber 3 protruding end over several nozzle holes fuel as burning jets 16 directly into the combustion chamber 3 injects. The injection takes place in such a way that impact areas 17 the burning beams 16 on the trough edge 14 are directed, wherein adjusts a circumference or outer circle, on the opposite in the cooling channel 7 the impact zones 13 of coolant jets 11 be charged. As a measure, to a defined position, such as an offset or a position match between the impact zones 13 the cooling oil jets 11 and the impact areas 17 the burning beams 16 is for the multi-hole injection nozzle 15 an adjustment unit 20 intended. A defined, directional installation position of the multi-hole injection nozzle 15 is achievable by adding a marker 22 so on a case 21 the multi-hole injection nozzle 15 is attached, that this coincides with another marker 23 on the cylinder head 4 , Preference is given to the multi-hole injection nozzle 15 via an external thread 24 in a threaded hole 25 of the cylinder head 4 screwed.

Die Kolbendraufsicht gemäß 2 verdeutlicht insbesondere die Lage von den auch als Auftreffpunkte zu bezeichnenden Auftreffbereichen 17 der insgesamt zwölf Brennstrahlen 16 und den Auftreffzonen 13 der ebenfalls zwölf Kühlölstrahlen, deren Lage mit einem Hüllkreis des Muldenrands 14 übereinstimmt. Die Auftreffbereiche 17 der Brennstrahlen 16 sind in Umfangsrichtung stets mittig, gleich beabstandet zwischen zwei Auftreffzonen 13 des Kühlölstrahls 11 auf dem Kolbenboden 5 platziert. Aufgrund der übereinstimmenden Anzahl der Kühlölstrahlen 11 mit den Brennstrahlen 16 stellt sich umfangsseitig ein Wechsel zwischen den Auftreffzonen 13 und den Auftreffbereichen 17 ein. Die Versorgungsbohrungen 9 für das Kühlöl sowie eine Mitte des Kühlkanals 7 sind gestrichelt bzw. strichpunktiert dargestellt. Ergänzend ist in der 2 ein Halbschnitt des Kolbens 1 einschließlich Kühlkanal 7, Kühlöldüse 10 und Auftreffzone 13 eingezeichnet, um das Zusammenwirken der Kühlölstrahlen 11 mit den Brennstrahlen 16 zu verdeutlichen.The piston top view according to 2 In particular, the situation clarifies the impact areas, which can also be referred to as impact points 17 the total of twelve firing beams 16 and the impact zones 13 the also twelve cooling oil jets whose position with an enveloping circle of Muldenrands 14 matches. The impact areas 17 the burning beams 16 are always centered in the circumferential direction, equally spaced between two impact zones 13 of the cooling oil jet 11 on the piston bottom 5 placed. Due to the matching number of cooling oil jets 11 with the burning rays 16 the circumference changes between the impact zones 13 and the impact areas 17 one. The supply holes 9 for the cooling oil as well as a middle of the cooling channel 7 are shown dashed or dash-dotted lines. Complementary in the 2 a half-section of the piston 1 including cooling channel 7 , Cooling oil nozzle 10 and impact zone 13 drawn to the interaction of the cooling oil jets 11 with the burning rays 16 to clarify.

Die 3 und 4 veranschaulichen alternative Ausführungsformen, die sich insbesondere durch die Anzahl und Lage von Kühlölstrahlen gegenüber der 2 unterscheiden, wobei für übereinstimmende Bauteile oder Bereiche gleiche Bezugsziffern verwendet werden, die nachfolgend nicht näher beschrieben werden. Die Beschreibungen beschränken sich somit auf die Unterschiede. Gemäß 3 übertrifft die Anzahl der Auftreffzonen 13 der Kühlölstrahlen die Anzahl der Auftreffbereiche 17 von den Brennstrahlen 16 der Mehrlocheinspritzdüse 15. Zwischen zwei beabstandeten Brennstrahlen 16 sind jeweils zwei Auftreffzonen 13 der Kühlölstrahlen vorgesehen, die umlaufend annähernd gleichbeabstandet sind. Nach 4 sind ergänzend zur 3 zusätzliche, Auftreffzonen 26 bildende Kühlölstrahlen vorgesehen, die mit den Auftreffbereichen 17 der Brennstrahlen 16 übereinstimmen. Ein Öffnungsquerschnitt der zwischen den Auftreffbereichen (17) der Brennstrahlen (16) angeordneten Kühlöldüsen (10) übertrifft den Öffnungsquerschnitt der weiteren Kühlöldüsen (10), die unmittelbar den Auftreffbereichen 17 der Brennstrahlen 16 zugeordnet sind.The 3 and 4 illustrate alternative embodiments, which are characterized in particular by the number and location of cooling oil jets relative to the 2 the same reference numerals are used for matching components or areas, which are not described in detail below. The descriptions are therefore limited to the differences. According to 3 exceeds the number of impact zones 13 the cooling oil jets the number of impact areas 17 from the burning rays 16 the multi-hole injection nozzle 15 , Between two spaced burning jets 16 are each two impact zones 13 the cooling oil jets provided, which are circumferentially approximately equidistant. To 4 are complementary to 3 additional, impact zones 26 forming cooling oil jets provided with the impact areas 17 the burning beams 16 to match. An opening cross section between the impact areas ( 17 ) of the burning jets ( 16 ) arranged cooling oil nozzles ( 10 ) exceeds the opening cross section of the other cooling oil nozzles ( 10 ) directly adjacent to the impact areas 17 the burning beams 16 assigned.

Die 5 und 6 zeigen in einer graphischen Gegenüberstellung die sich einstellenden Muldenrandtemperaturen bei einer übereinstimmenden Anordnung von Kühlölstrahlen und Brennstrahlen (5) sowie bei einer versetzten Anordnung der Kühlöl- und Brennstrahlen (6), in dem Koordinatensystem ist auf der Ordinate die Muldenrandtemperatur TMR und auf der Abszisse der Kolben-Umfangswinkel α aufgetragen. In beiden 5 und 6 ist eine Mehrlocheinspritzdüse 15 mit sechs Brennstrahlen gezeigt. Zur Kennzeichnung sind in den 5 und 6 die Kühlölstrahlen 11 mit dem Buchstaben K und die Brennstrahlen 16 mit den Buchstaben B und zusätzlich zur Unterscheidung jeweils mit einer Ziffer als Index gekennzeichnet. In 5 sind die Brennstrahlen B1-6 und die Kühlölstrahlen K1-6 gemeinsam im Winkel von 60° versetzt angeordnet. Die 6 zeigt die getrennte Lage von Brennstrahlen B1-6 und Kühlölstrahlen K1-6, wodurch sich ein wechselweiser Abstand von 30° einstellt.The 5 and 6 show in a graphical comparison the self-adjusting bowl rim temperatures with a matching arrangement of cooling oil jets and combustion jets ( 5 ) and in a staggered arrangement of the cooling oil and fuel jets ( 6 ), in the coordinate system is plotted on the ordinate the trough edge temperature T MR and on the abscissa of the piston circumferential angle α. In both 5 and 6 is a multi-hole injection nozzle 15 shown with six firebeams. For labeling are in the 5 and 6 the cooling oil jets 11 with the letter K and the burning rays 16 marked with the letter B and in addition to the distinction each with a digit as an index. In 5 are the firebeams B 1-6 and the cooling oil jets K 1-6 arranged offset together at an angle of 60 °. The 6 shows the separate location of fuel jets B 1-6 and cooling oil jets K 1-6 , which sets an alternate distance of 30 °.

Die Graphiken verdeutlichen, dass sich bei der Lösung A gemäß 5 ein höheres Temperaturniveau und ein größeres Temperaturgefälle Tmax zu Tmin sowie eine größere Schwankungbreite der Muldenrandtemperatur im Vergleich zur Variante B gemäß 6 einstellt. Somit ergeben sich folgende Beziehungen:
Tmax, B < Tmin, A sowie Tmin, B > Tmin, A sowie ΔTA > ΔTB The graphs illustrate that in solution A according to 5 a higher temperature level and a larger temperature gradient T max to T min and a larger fluctuation width of the bowl rim temperature in comparison to variant B according to FIG 6 established. This results in the following relationships:
T max , B <T min , A and T min , B> T min , A and ΔT A > ΔT B

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kolbenpiston
22
Zylindercylinder
33
Brennraumcombustion chamber
44
Zylinderkopfcylinder head
55
Kolbenbodenpiston crown
66
BrennraummuldeCombustion bowl
77
Kühlkanalcooling channel
88th
Druckraumpressure chamber
99
Versorgungsbohrungsupply hole
1010
Kühlöldüsecooling oil nozzle
1111
KühlölstrahlCooling oil jet
1212
Unterseitebottom
1313
Auftreffzoneimpact zone
1414
Muldenrandbowl edge
1515
MehrlocheinspritzdüseMehrlocheinspritzdüse
1616
Brennstrahlburning jet
1717
Auftreffbereichimpingement
2020
Justiereinheitadjusting
2121
Gehäusecasing
2222
Markierungmark
2323
Markierungmark
2424
Außengewindeexternal thread
2525
Gewindebohrungthreaded hole
2626
Auftreffzoneimpact zone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19750021 A1 [0003] DE 19750021 A1 [0003]
  • DE 102006013884 A1 [0003] DE 102006013884 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Kühlung eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, der einen integrierten Kühlkanal (7) umfasst, von dem ausgehend Kühlöl als Kühlölstrahl (11) eine Unterseite (12) eines Kolbenbodens (5) beaufschlagt, der gegenseitig zumindest einem Brennstrahl (16) einer ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Justiereinheit (20) eine als Mehrlocheinspritzdüse (15) ausgebildete Kraftstoffeinspritzdüse so eingesetzt wird, dass deren Brennstrahlen (16) Auftreffbereiche (17) auf dem Kolbenboden (5) bilden, die in einer definierten Lage zu Auftreffzonen (13) ausgerichtet sind, die von Kühlölstrahlen (11) an der Unterseite (12) des Kolbenbodens (5) gebildet werden.Method for cooling a piston ( 1 ) of an internal combustion engine having an integrated cooling channel ( 7 ), starting from which cooling oil as a cooling oil jet ( 11 ) an underside ( 12 ) of a piston crown ( 5 ), the mutually at least one combustion jet ( 16 ) is exposed to a stationary arranged in the internal combustion engine fuel injector, characterized in that by means of an adjusting unit ( 20 ) as a multi-hole injection nozzle ( 15 ) formed fuel injector is used so that their fuel jets ( 16 ) Impact areas ( 17 ) on the piston head ( 5 ) in a defined position to impact zones ( 13 ), which are separated by cooling oil jets ( 11 ) on the bottom ( 12 ) of the piston crown ( 5 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Justierung der Mehrlocheinspritzdüse (15) eine Markierung (22) an einem Gehäuse (21) der Mehrlocheinspritzdüse (15) mit zumindest einer weiteren Markierung (23) an einem Zylinderkopf (4) der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung gebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that for adjusting the multi-hole injection nozzle ( 15 ) a mark ( 22 ) on a housing ( 21 ) of the multi-hole injection nozzle ( 15 ) with at least one further marking ( 23 ) on a cylinder head ( 4 ) of the internal combustion engine is brought into agreement. Brennkraftmaschine mit einem Kolben (1), aufweisend einen Kolbenboden (5), der wenigstens einem Brennstrahl (16) einer in der Brennkraftmaschine eingesetzten Kraftstoffeinspritzdüse ausgesetzt ist und der Kolbenboden (5) gegenseitig von einem Kühlölstrahl (11) einer Kühlöldüse (10) eines im Kolben (1) integrierten Kühlkanals (7) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstrahlen (16) einer Mehrlocheinspritzdüse (15) gezielt versetzt zu den Kühlölstrahlen (11) den Kolbenboden (5) beaufschlagen und die Mehrlocheinspritzdüse (15) mittels einer Justiereinheit (20) ausgerichtet ist.Internal combustion engine with a piston ( 1 ), comprising a piston head ( 5 ), the at least one burning jet ( 16 ) is exposed to a fuel injector used in the internal combustion engine and the piston head ( 5 ) from each other by a cooling oil jet ( 11 ) of a cooling oil nozzle ( 10 ) one in the piston ( 1 ) integrated cooling channel ( 7 ) is acted upon, characterized in that the fuel jets ( 16 ) of a multi-hole injection nozzle ( 15 ) specifically offset to the cooling oil jets ( 11 ) the piston crown ( 5 ) and the multi-hole injection nozzle ( 15 ) by means of an adjusting unit ( 20 ) is aligned. Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausrichtbare Mehrlocheinspritzdüse (15) mittels einer reibschlüssigen Befestigung, vorzugsweise einer Schraubenverbindung, fixiert ist, wobei ein Außengewinde (24) in eine Gewindebohrung (25) des Zylinderkopfs (4) verschraubt ist und die Justierung über zugehörige Markierungen (22, 23) erfolgt.Internal combustion engine with a piston according to claim 3, characterized in that the alignable multi-hole injection nozzle ( 15 ) is fixed by means of a frictional attachment, preferably a screw connection, wherein an external thread ( 24 ) into a threaded hole ( 25 ) of the cylinder head ( 4 ) and the adjustment via associated markings ( 22 . 23 ) he follows. Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der ausrichtbaren Mehrlocheinspritzdüse (15) einen Bajonettverschluss oder eine Flanschlösung mit Zentrierbohrung und Langlöchern im Flansch vorsieht und das Gehäuse (21) der Mehrlocheinspritzdüse (15) Markierungen zur Justierung einschließt.Internal combustion engine with a piston according to claim 3 or 4, characterized in that the attachment of the alignable multi-hole injection nozzle ( 15 ) provides a bayonet closure or a flange solution with centering hole and slots in the flange and the housing ( 21 ) of the multi-hole injection nozzle ( 15 ) Includes marks for adjustment. Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auftreffbereiche (17) von den Brennstrahlen (16) der Mehrlocheinspritzdüse (15) in Umfangsrichtung mittig zwischen zwei Auftreffzonen (13) von Kühlölstrahlen (11) den Kolbenboden (5) beaufschlagen und die gemeinsam einen mit einem Muldenrand (14) des Kolbens (1) übereinstimmenden Hüllkreis bilden.Internal combustion engine with a piston according to one of the preceding claims, characterized in that impact areas ( 17 ) of the firing beams ( 16 ) of the multi-hole injection nozzle ( 15 ) in the circumferential direction in the middle between two impact zones ( 13 ) of cooling oil jets ( 11 ) the piston crown ( 5 ) and the one together with a trough edge ( 14 ) of the piston ( 1 ) form a matching outer circle. Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übereinstimmung zwischen der Anzahl der Brennstrahlen (16) der Mehrlocheinspritzdüse (15) und der Anzahl der Kühlölstrahlen (11) besteht und sich jeweils ein äquidistanter Abstand bzw. Versatz zwischen den Auftreffzonen (13) der Kühlölstrahlen (11) und den Auftreffbereichen (17) der Brennstrahlen (16) einstellt.Internal combustion engine with a piston according to one of the preceding claims, characterized in that a correspondence between the number of combustion jets ( 16 ) of the multi-hole injection nozzle ( 15 ) and the number of cooling oil jets ( 11 ) and in each case an equidistant distance or offset between the impact zones ( 13 ) of the cooling oil jets ( 11 ) and the impact areas ( 17 ) of the burning jets ( 16 ). Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kühlölstrahlen (11) der Kühlöldüsen (10) die Anzahl der Brennstrahlen (16) der Mehrlocheinspritzdüse (15) übertrifft, wobei jedem Auftreffbereich (17) der Brennstrahlen (16) unmittelbar ein Kühlölstrahl (11) der Kühlöldüsen (10) zugeordnet ist.Internal combustion engine with a piston according to one of the preceding claims, characterized in that the number of cooling oil jets ( 11 ) of the cooling oil nozzles ( 10 ) the number of firing beams ( 16 ) of the multi-hole injection nozzle ( 15 ), with each impact area ( 17 ) of the burning jets ( 16 ) directly a cooling oil jet ( 11 ) of the cooling oil nozzles ( 10 ) assigned. Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kühlöldüsen (10) die Anzahl der Brennstrahlen (16) übertrifft und unmittelbar den Auftreffbereichen (17) der Brennstrahlen (16) zugeordnete Kühlöldüsen (10) einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweisen als weitere, zwischen den Auftreffbereichen (17) positionierte Kühlöldüsen (10).Internal combustion engine with a piston according to one of the preceding claims, characterized in that the number of cooling oil nozzles ( 10 ) the number of firing beams ( 16 ) and directly to the impact areas ( 17 ) of the burning jets ( 16 ) associated cooling oil nozzles ( 10 ) have a smaller opening cross section than others, between the impact areas ( 17 ) positioned cooling oil nozzles ( 10 ). Brennkraftmaschine mit einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlocheinspritzdüse (15) formschlüssig in eine Aufnahme des Zylinderkopfes (4) eingesetzt und mittels einer Sicherung lagefixiert ist.Internal combustion engine with a piston according to one of the preceding claims, characterized in that the multi-hole injection nozzle ( 15 ) in a form-fitting manner in a receptacle of the cylinder head ( 4 ) and fixed in position by means of a fuse.
DE201310201415 2013-01-29 2013-01-29 Method for cooling piston of internal combustion engine, involves adjusting injector nozzle such that impingement of internal beam is directed to piston head in defined position opposite to impact zones of cooling oil jet Withdrawn DE102013201415A1 (en)

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