DE102017206152A1

DE102017206152A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017206152A1
Application number: DE102017206152.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Siuka; Stefan Enzendorfer; Matthias Gruber; Stefan Kammerstaetter; Juergen Langthaler; Josef Schaubmair
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem, in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben, der in einem unteren Totpunkt (UT) und in einem oberen Totpunkt (OT) jeweils eine Bewegungsrichtungsumkehr durchführt, wobei eine Ölversorgungseinrichtung vorgesehen ist für eine Kolbenkühlung mit einer ersten und einer zweiten, unabhängig voneinander ansteuerbaren Ölspritzdüse zur Kühlung des Kolbens, wobei die erste Ölspritzdüse einlassseitig und die zweite Ölspritzdüse auslassseitig angeordnet ist, wobei eine Beaufschlagung des Kolbens mit Öl im Bereich von 90° vor UT bis 90° nach UT erfolgt.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der der Hubkolben-Brennkraftmaschine und dem zugehörigen Verfahren ist eine lastabhängige Kolbenkühlung möglich, bei gleichzeitig kleiner dimensionierter Ölpumpe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 006 963 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Verbrennungsmotor bekannt mit einer Ölversorgungseinrichtung zum Schmieren eines Zylinders und/oder zum Kühlen eines Kolbens, wobei die Ölversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass eine Schmierung des Zylinders ständig erfolgt, während die Kühlung des Kolbens zuschaltbar ist, und/oder dass die Schmierung des Zylinders bereits bei einem geringen Öldruck erfolgt, bei welchem noch keine Kühlung des Kolbens stattfindet.
Ein gattungsgemäßer, gekühlter Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 211 060 A1 bekannt. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, mit einem, den Kolben in einen Bereich einer Kolbenringzone, von einem Kolbenboden beabstandeten, radial umlaufenden Kühlkanal mit einem Kühlmitteleinspritzkanal mit einem Einspritzöffnungsquerschnitt zum Einbringen von Kühlmittel in den Kühlkanal und mit einer Kühlmittelauströmöffnung, wobei der Einspritzöffnungsquerschnitt des Kühlmitteleinspritzkanals einspritzseitig eine Querschnittsverkleinerung aufweist.
Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 23 734 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt. Die Brennkraftmaschine weist mehrere, in mindestens einer Zylinderreihe angeordnete Zylinder auf, mit jeweils einem Kolben pro Zylinder und mit einer Ölversorgungseinrichtung, die pro Zylinder wenigstens eine Ölspritzdüse aufweist, über die der zugehörige Kolben mit Öl versorgt werden kann. Pro Zylinder sind wenigstens zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Ölspritzdüsen vorgesehen. Den Ölspritzdüsen eines Zylinders ist jeweils ein separater Ölkanal zugeordnet, wobei wenigstens zwei Ölkanäle eines Zylinders gesonderten Teilkreisläufen der Ölversorgungseinrichtung zugeordnet sind.
Der Durchfluss einer Ölspritzdüse ist üblicherweise für den Nennleistungspunkt (Nennleistung ist die größte Nutzleistung der Brennkraftmaschine unter Vollastbedingungen) ausgelegt. Auch bei niedrigen Drehzahlen an der Volllast muss der Kolben bereits gekühlt werden. Daher muss die Ölpumpe bereits bei niedrigen Drehzahlen die erforderliche Fördermenge leisten, um den Öldruck einregeln zu können. Die Ölpumpe wird dementsprechend größer als nötig dimensioniert, was einen Bauraum- bzw. CO₂-Nachteil mit sich zieht. Außerdem kommt es zu einer inhomogenen Temperaturverteilung im Kolben, insbesondere bei der Verwendung eines Stahlkolbens, durch die Versorgung des Kühlkanals von nur einer Seite. Dies führt in nachteiliger Weise zu erhöhten Temperaturen am Kolben auf der gegenüberliegenden Seite der Ölspritzdüse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, den oben genannten Nachteil, insbesondere für Stahlkolben, zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Kühlung des Kolbens mittels zweier Ölspritzdüsen im Bereich des unteren Totpunkts, d. h. im Bereich von 90° vor UT bis 90° nach UT.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So weist die zweite Ölspritzdüse, die vorzugsweise auslassseitig angeordnet ist, gemäß Patentanspruch 2 einen größeren Öldurchsatz auf als die erste Ölspritzdüse.
Bevorzugt weist die erste Ölspritzdüse eine Öldurchflussmenge von 0,5 bis 2,0 Liter Öl pro Minute und die zweite Ölspritzdüse eine Öldurchflussmenge von 2,0 bis 5,0 Liter Öl pro Minute auf. Mit diesen Durchflussmengen ist eine ausreichende Kolbenkühlung für jeden Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine für Personenkraftwagen sichergestellt, wobei gleichzeitig die Ölpumpe kleiner dimensioniert werden kann.
Bevorzugt ist die Öldurchflussmenge der ersten Ölspritzdüse gemäß Patentanspruch 4 von einem Steuergerät kennfeldgesteuert.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 bei der Verwendung eines Stahlkolbens.
Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 5 weist der Kolben für jede Ölspritzdüse eine Öleintrittsöffnung und eine, über eine in dem Kolben angeordnete Bohrung verbundene Ölaustrittsöffnung auf.
Erfindungsgemäß kommt somit ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 zum Einsatz mit folgenden Verfahrensschritten:

- Bei niedriger Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, durchströmen der ersten Ölspritzdüse mit Öl,
- Bei höherer Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, durchströmen der ersten und der zweiten Ölspritzdüse mit Öl.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Kolben im Bereich des unteren Totpunkts mit einer ersten und einer zweiten Ölspritzdüse.
2 zeigt eine Unteransicht des Kolbens.
3 zeigt in einem Diagramm die Einsatzbereiche der ersten und der zweiten Ölspritzdüse.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Kolben 1 mit einer ersten Öleinspritzdüse 2 und mit einer zweiten Ölspritzdüse 3. Der Kolben 1 ist für eine nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere für die Verwendung in einem PKW vorgesehen, mit zumindest einem, in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben 1, der in einem unteren Tot-Punkt (UT) und in einem oberen Tot-Punkt (OT) jeweils eine Bewegungsrichtungsumkehr durchführt. Weiter weist die Hubkolben-Brennkraftmaschine eine nicht dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Ölversorgungseinrichtung auf, für eine Kühlung des Kolbens 1, mit der ersten und der zweiten, unabhängig voneinander ansteuerbaren Ölspritzdüse 2, 3 zur Kühlung des Kolbens 1.
Erfindungsgemäß ist die erste Ölspritzdüse 2 einlassseitig (kalte Seite) und die zweite Ölspritzdüse 3 auslassseitig (heiße Seite) angeordnet, wobei eine Beaufschlagung des Kolbens 1 mit Öl im Bereich von 90° vor UT bis 90° nach UT erfolgt oder in einem oder mehreren Teilbereichen dazwischen.
Besonders bevorzugt weist die zweite Ölspritzdüse 3 einen größeren Öldurchsatz auf als die erste Ölspritzdüse 2. Besonders bevorzugt weist die erste Ölspritzdüse 2 eine Öldurchflussmenge von 0,5 bis 2,0 Liter Öl pro Minute und die zweite Ölspritzdüse 3 eine Öldurchflussmenge von 2,0 bis 5,0 Liter Öl pro Minute auf. Mit diesen Öldurchflussmengen ist eine hinreichende Kühlung des Kolbens 1 für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gewährleistet, wobei gleichzeitig eine kleinere, kostengünstigere Ölpumpe mit geringerer Leistung zum Einsatz kommen kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Öldurchflussmenge der ersten Ölspritzdüse 2 von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine kennfeldgesteuert. Mit dieser Konfiguration lässt sich die gesamte Öldurchflussmenge an jeden beliebigen Betriebszustand der Brennkraftmaschine anpassen.
Bevorzugt weist die Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Stahlkolben auf, wobei der Kolben 1 für jede Einspritzdüse 2, 3 eine Öleintrittsöffnung 4, 5 und eine über eine in dem Kolben 1 angeordnete Bohrung verbundene, nicht dargestellte Ölaustrittsöffnung aufweist.
2 zeigt eine Unteransicht des Kolbens 1, mit der Öleintrittsöffnung 4 für die erste Ölspritzdüse 2 und der zweite Öleintrittsöffnung 5 für die zweite Ölspritzdüse 3. Die Ölaustrittsöffnungen sind nicht dargestellt.
3 zeigt schematisch in einem Diagramm die Einsatzbereiche der ersten und der zweiten Ölspritzdüse 2, 3. Über eine Y-Achse ist eine Leistung der Hubkolben-Brennkraftmaschine in Kilowatt ohne Einheiten dargestellt, über eine X-Achse ist eine Drehzahl der Hubkolben-Brennkraftmaschine ohne Einheiten dargestellt. Eine Leistungskurve der Brennkraftmaschine ist mit 6 beziffert. Ein Einsatzbereich der ersten Ölspritzdüse 2 ist mit 7 beziffert, ein gemeinsamer Einsatzbereich der ersten und der zweiten Ölspritzdüse 2, 3 ist mit 8 beziffert.
In 3 ist somit ein Verfahren zum Betreiben der Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

- Bei niedriger Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, durchströmen der ersten Ölspritzdüse 2 mit Öl,
- Bei höherer Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, durchströmen der ersten und der zweiten Ölspritzdüse 2, 3 mit Öl.

Erfindungsgemäß erfolgt die Kühlung des Kolbens 1 mittels zweier Ölspritzdüsen 2, 3, im Bereich des unteren Tot-Punktes (UT), im Bereich von 90° vor UT bis 90° nach UT. Die erste Ölspritzdüse 2 wird über den Hauptölkanal versorgt und besitzt einen geringen Durchfluss von im Mittel ca. 1,0 Liter Öl pro Minute im kennfeldgeregelten Bereich. Die zweite Öleinspritzdüse ist an der heißen Auslassseite positioniert und kann über ein Ventil bei Bedarf zugeschaltet werden. Die zweite Ölspritzdüse 3 besitzt einen Durchfluss von ca. 3 Liter Öl pro Minute bei Volllast Öldruck. Im Kolben 1 befinden sich zwei Eintrittsöffnungen 4, 5 für die Kühlung, je eine auf der Druck- und Gegendruckseite und zwei zusätzliche Austrittsöffnungen, bei denen das Öl wieder aus dem Kolben 1 abfließen kann. Im unteren Tot-Punkt (UT) versorgen beide Ölspritzdüsen 2, 3 den Kolbenkühlkanal direkt mit Öl zur Kühlung. Im unteren Lastbereich ist nur eine der beiden Ölspritzdüsen 2, 3 aktiv, die zweite Ölspritzdüse 3 wird erst bei höheren Lasten zugeschalten.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und das erfindungsgemäße Verfahren kann die Ölpumpe für kleinere Durchflüsse ausgelegt werden und trotzdem ist eine ausreichende Kühlung des Kolbens 1 gewährleistet. Dies bringt einen Bauraum- bzw. CO₂ Vorteil mit sich. Durch die Versorgung des Kühlkanals von zwei Seiten wird die Temperaturverteilung in vorteilhafter Weise am Muldenrand homogener und die Maximaltemperatur dadurch reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: erste Ölspritzdüse
3: zweite Ölspritzdüse
4: erste Öleintrittsöffnung
5.: zweite Öleintrittsöffnung
6.: Leistungskurve
7.: Einsatzbereich erste Ölspritzdüse
8.: Einsatzbereich erste und zweite Ölspritzdüse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009006963 A1 [0002]
DE 102012211060 A1 [0003]
DE 10323734 A1 [0004]

Claims

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem, in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben (1), der in einem unteren Totpunkt (UT) und in einem oberen Totpunkt (OT) jeweils eine Bewegungsrichtungsumkehr durchführt, wobei eine Ölversorgungseinrichtung vorgesehen ist für eine Kolbenkühlung mit einer ersten (2) und einer zweiten (3), unabhängig voneinander ansteuerbaren Ölspritzdüse zur Kühlung des Kolbens (1), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ölspritzdüse (2) einlassseitig und die zweite Ölspritzdüse (3) auslassseitig angeordnet ist, wobei eine Beaufschlagung des Kolbens (1) mit Öl im Bereich von 90° vor UT bis 90° nach UT erfolgt.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ölspritzdüse (3) einen größeren Öldurchsatz aufweist als die erste Ölspritzdüse (2).
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ölspritzdüse (2) eine Öldurchflussmenge von 0,5 bis 2,0 l/min und die zweite Ölspritzdüse (3) eine Öldurchflussmenge von 2,0 bis 5,0 l/min aufweist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öldurchflussmenge der ersten Ölspritzdüse (2) kennfeldgesteuert ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) ein Stahlkolben ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) für jede Ölspritzdüse (2, 3) eine Öleintrittsöffnung (4, 5) und eine über eine in dem Kolben (1) angeordnete Bohrung verbundene Ölaustrittsöffnung aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - bei niedriger Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, Durchströmen der ersten Ölspritzdüse (2) mit Öl, - bei höherer Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine, Durchströmen der ersten und der zweiten Ölspritzdüse (2, 3) mit Öl.