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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, und
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme mindestens eines Kolbens, bei der
- - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden des zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT unter Ausbildung eines Kolbenhubs s translatorisch verschiebbar ist, und
- - jeder Kolben zur Ausbildung einer Ölkühlung mit einer im Kolbenboden integrierten Ölgalerie ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal, einen mit dem ringförmigen Kanal verbundenen Einlasskanal zur Versorgung des ringförmigen Kanals mit Öl und einen mit dem ringförmigen Kanal verbundenen Auslasskanal zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal umfasst.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d.h. Brennräume, miteinander verbindbar bzw. miteinander verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme der Ventiltriebe im Ganzen. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die mindestens eine Auslassöffnung und das Füllen des Brennraums über die mindestens eine Einlassöffnung jedes Zylinders. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen bzw. Zylinderbuchsen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird entlang der Zylinderlängsachse axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt. Das Zylinderrohr wird entweder unter Verwendung einer in den Zylinderblock einsetzbaren Zylinderbuchse oder direkt durch den Zylinderblock selbst, nämlich die Zylinderbohrung, ausgebildet.
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Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist jeder Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung der Ventiltriebe.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse regelmäßig durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen. Zur Versorgung der Lager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern vorgesehen, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt. Zur Ausbildung der sogenannten Hauptölgalerie wird häufig ein Hauptversorgungskanal vorgesehen, der entlang der Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Der Hauptversorgungskanal kann oberhalb oder unterhalb der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnet sein oder auch in die Kurbelwelle integriert werden.
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Die Pumpe selbst wird regelmäßig via Saugleitung, die von der Ölwanne zur Pumpe führt, mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt und muss einen ausreichend großen Förderstrom, d.h. ein ausreichend hohes Fördervolumen sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Versorgungssystem, insbesondere in der Hauptölgalerie, sorgen.
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Die Ölversorgung einer Nockenwelle erfolgt in analoger Weise. Weitere Verbraucher, die zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl verbrauchen bzw. brauchen, d.h. mit Motoröl versorgt werden müssen, sind die Lager einer Pleuelstange oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist aber auch eine Spritzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düse von unten, d.h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt. Die Spritzölkühlung benötigt bzw. verbraucht Öl, d.h. die Spritzölkühlung muss mit Öl versorgt werden.
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Die Spritzölkühlung eines Kolbens, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mit Motoröl bespritzt, bevorzugt ein möglichst kühles bzw. kaltes Motoröl, d.h. ein Motoröl von möglichst niedriger Temperatur, um dem Kolben eine möglichst große Wärmemenge entziehen zu können. Damit soll eine thermische Überlastung bzw. Überhitzung des Kolbens verhindert werden.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig - beispielsweise mittels Abgasturboauflader oder mechanischem bzw. elektrischem Lader - aufgeladen werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, d.h. Wirkungsgrad zu verbessern. Dadurch steigt sowohl die thermische als auch die mechanische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Kolbens, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die der thermischen und mechanischen Belastung gerecht werden.
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Auch der Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grunde werden Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel, der das Kühlmittel durch den Zylinderblock führt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel beispielsweise in einem Wärmetauscher wieder entzogen. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert.
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Wie der Zylinderblock kann auch der Zylinderkopf mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist regelmäßig das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
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Die großen Temperaturunterschiede im Zylinderblock bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine resultieren in einem mehr oder weniger großen thermischen Verzug des Zylinderrohres eines Zylinders. Dieser sogenannte Bohrungsverzug hat in der Praxis mehrere nachteilige Effekte. Damit der Kolben im Zusammenwirken mit dem Zylinderrohr und den Kolbenringen den Brennraum trotz Bohrungsverzug effektiv gegenüber dem Kurbelgehäuse abdichten kann, werden die Vorspannkräfte der Ringe nach dem Stand der Technik erhöht, wodurch aber in nachteiliger Weise die Reibung bzw. Reibleistung der Brennkraftmaschine ebenfalls erhöht wird. Grundsätzlich ist man aber bemüht, die Reibleistung einer Brennkraftmaschine zu minimieren, um den Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen zu mindern.
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Eine effektive Kühlung des Kolbens wirkt den vorstehend beschriebenen Effekten entgegen. Auch die Kolben der Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung verfügen über eine Ölkühlung, wobei der Kolbenboden jedes Kolbens nicht nur mittels Spritzölkühlung mit Motoröl bespritzt wird. Vielmehr ist jeder Kolben erfindungsgemäß mit einer Ölgalerie ausgestattet, die in den Kolben integrierte Kanäle aufweist und Öl zwecks Kühlung via diesen Kanälen durch den Kolben führt.
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Nach dem Stand der Technik umfasst eine derartige Ölgalerie einen ringförmigen Kanal, einen stutzenartigen Einlass zur Versorgung des Ringkanals mit Öl und einen stutzenartigen Auslass zum Abführen des Öls aus dem Ringkanal (siehe auch 1). Das Zuführen von Öl in den Ringkanal der Ölgalerie erfolgt dabei regelmäßig mittels Einspritzens in den Einlassstutzen und zwar unter Verwendung einer Einspritzdüse, die hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest ist und via Hauptölgalerie mit Öl versorgt wird. Das eingespritzte Öl hat einen gewissen Fördereffekt auf das bereits im Ringkanal befindliche Öl und fördert dieses Öl in Richtung Auslass. Das Abführen des Öls aus dem Ringkanal wird aber insbesondere durch die oszillierende Bewegung des Kolbens dominiert.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass große Mengen des in den Einlass eingespritzten Öls nicht in den Ringkanal gelangen bzw. nicht im Ringkanal verbleiben, sondern - ohne den Ringkanal zu durchströmen - die Ölgalerie wieder via Einlass verlassen. Eine Förderung des Öls durch den Ringkanal bzw. die Ölgalerie, welche Vorrausetzung für eine effektive Kolbenkühlung ist, erfolgt dabei nicht.
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Die im Betrieb der Brennkraftmaschine oszillierende Hubbewegung des Kolbens sorgt auslassseitig regelmäßig dafür, dass bereits ins Kurbelgehäuse abgeführtes Öl wieder in den Auslasskanal und via Auslasskanal zurück in den Ringkanal gelangt. Dieser Effekt erschwert das Abführen des Öls aus der Ölgalerie grundsätzlich. Ursächlich verantwortlich dafür ist, dass der sich ausgehend vom oberen Totpunkt nach unten bewegende Kolben bereits abgeführtes Öl wieder einfängt. Starke Turbulenzen im Kurbelgehäuse unterstützen diesen nachteiligen Effekt.
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Folglich sind Maßnahmen erforderlich, mit denen ein Wiedereintreten von Öl in den Auslasskanal und den Ringkanal erschwert bzw. verhindert werden kann.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ölkühlung des Kolbens verbessert ist und insbesondere ein effektiveres Abführen des Öls aus der Ölgalerie gewährleistet.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, und
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme mindestens eines Kolbens, bei der
- - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden des zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT unter Ausbildung eines Kolbenhubs s translatorisch verschiebbar ist, und
- - jeder Kolben zur Ausbildung einer Ölkühlung mit einer im Kolbenboden integrierten Ölgalerie ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal, einen mit dem ringförmigen Kanal verbundenen Einlasskanal zur Versorgung des ringförmigen Kanals mit Öl und einen mit dem ringförmigen Kanal verbundenen Auslasskanal zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal umfasst,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Auslasskanal kurbelgehäuseseitig mit einer Klappe ausgestattet ist, die um eine Achse verschwenkbar gelagert ist, wobei
- - sich die Achse quer zur Zylinderlängsachse erstreckt,
- - die Klappe in einer Schließposition den Auslasskanal versperrt, und
- - die Klappe in einer Arbeitsposition den Auslasskanal freigibt.
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Der erfindungsgemäße Auslasskanal ist mit einer verschwenkbaren Klappe ausgestattet, welche den Auslasskanal bei Bedarf versperrt und ein Eintreten von Öl verhindert. Zum Verschwenken der Klappe wird die oszillierende Hubbewegung des Kolbens genutzt. Infolge der ungleichförmigen Hubbewegung des Kolbens und der auf die Klappe wirkenden Trägheitskraft wird die Klappe in die Schließstellung, d.h. die Schließposition, verschwenkt, wenn der Kolben sich ausgehend vom oberen Totpunkt nach unten in Richtung des unteren Totpunktes bewegt und beschleunigt wird, um dann vor Erreichen des unteren Totpunktes infolge der einsetzenden Verzögerung wieder geöffnet zu werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Kolben in der Abwärtsbewegung bereits abgeführtes Öl wieder einfängt und bereits abgeführtes Öl wieder in den Auslasskanal und den Ringkanal gelangt.
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Bewegt der Kolben sich nach einer Richtungsumkehr im unteren Totpunkt wieder nach oben in Richtung des oberen Totpunktes, wird die Klappe zunächst infolge ihrer Trägheit in Richtung der Offenstellung verschwenkt bzw. in der Offenstellung gehalten, um dann vor Erreichen des oberen Totpunktes infolge der einsetzenden Verzögerung wieder geschlossen zu werden bzw. in Richtung der Schließstellung verschwenkt zu werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept schafft einen selbststeuernden Mechanismus, welcher ein Wiedereintreten von Öl in den Auslasskanal und den Ringkanal im Bedarfsfall erschwert bzw. verhindert. Die auf die Klappe wirkende Trägheitskraft versperrt den Auslasskanal in einer für das Wiedereintreten von Öl kritischen Phase der Kolbenbewegung und gibt den Auslasskanal zum Abführen von Öl in einer weniger kritischen Phase der Kolbenbewegung frei. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die für das Öffnen der Klappe verantwortliche Trägheit bei sich nach unten bewegendem und langsamer werdendem Kolben nicht nur auf die Klappe, sondern auch auf das Öl wirkt und ein Abführen des Öls fördert.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich der Ölkühlung des Kolbens verbessert ist und insbesondere ein effektiveres Abführen des Öls aus der Ölgalerie gewährleistet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskanal und/oder der Auslasskanal parallel zu der Zylinderlängsachse ausgerichtet ist. Dies sorgt für eine gewisse Symmetrie und Gleichbehandlung der Ringkanalabschnitte beidseitig der Mündung des Einlasskanals bzw. beidseitig der Abzweigung des Auslasskanals.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Versorgung des ringförmigen Kanals mit Öl eine hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnete Einspritzdüse vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Auslasskanal ausgehend von dem ringförmigen Kanal trichterförmig sich verjüngend ausgebildet ist. Dies unterstützt ein Sammeln und Abführen von Öl aus der Ölgalerie und erschwert ein Wiedereintreten von bereits ins Kurbelgehäuse abgeführtem Öl in den Auslasskanal und den Ringkanal. Das Abführen des Öls aus der Ölgalerie wird effizienter.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Auslasskanal kurbelgehäuseseitig unter Ausbildung eines Kegels vom Kolbenboden hervorsteht.
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Die vorstehende Ausführungsform, bei der der Auslasskanal unter Ausbildung eines Kegels vom Kolbenboden hervorsteht, wirkt dem nachteiligen Wiedereinfangen von bereits abgeführtem Öl entgegen. Infolge der starken Turbulenzen im Kurbelgehäuse und der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens fängt sich bereits ins Kurbelgehäuse abgeführtes Öl beidseitig des Kegels des Auslasskanals. Ein Wiedereintreten von Öl in den Auslasskanal und den Ringkanal wird erschwert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen beidseitig des Kegels des Auslasskanals Taschen bzw. Ausnehmungen im Kolbenboden vorgesehen sind, in denen sich via Auslasskanal ins Kurbelgehäuse abgeführtes Öl sammeln bzw. fangen kann.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kegel des Auslasskanals eine konkave äußere Kegelmantelfläche aufweist.
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Eine konkave äußere Kegelmantelfläche unterstützt das kurbelgehäuseseitige Einfangen und Abführen von im Kurbelgehäuse befindlichem Öl.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Kanal auf der dem Auslasskanal gegenüberliegenden Seite mit einem Keil ausgestattet ist, welcher in den ringförmigen Kanal hineinragt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Keil sich parallel zu der Zylinderlängsachse erstreckt und ausgerichtet ist. Der Keil unterstützt das Sammeln und Abführen von Öl aus der Ölgalerie bzw. dem Ringkanal.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskanal zum ringförmigen Kanal hin trichterförmig sich verjüngend ausgebildet ist und/oder unter Ausbildung eines Kegels in den ringförmigen Kanal hineinragt.
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Der aus einer Einspritzdüse austretende und zwecks Ölversorgung auf den Einlasskanal ausgerichtete Ölstrahl ist kein rein laminarer gebündelter Strahl, sondern vielmehr ein Ölstrahl, der sich in Richtung Einlasskanal mehr oder weniger aufweitet und zwar auch dadurch bedingt, dass im Kurbelgehäuse eine starke turbulente Luftbewegung vorliegt.
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Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass der Einlasskanal sich zum ringförmigen Kanal hin trichterförmig verjüngt. Dabei muss sich der Einlasskanal nicht über seine gesamte Länge kontinuierlich verjüngen. Um den sich aufweitenden Ölstrahl wieder zu bündeln bzw. einzufangen, kann es im Einzelfall ausreichend sein, wenn sich der Einlasskanal abschnittsweise, d.h. entlang einer begrenzten Wegstrecke trichterförmig verjüngt.
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Dadurch, dass der Einlasskanal trichterförmig ausgebildet ist, wird der Anteil des aus der Einspritzdüse austretenden Öls, der via Einlasskanal in den Ringkanal gelangt, maximiert bzw. deutlich vergrößert.
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Der Einlasskanal ragt in den ringförmigen Kanal hinein und bildet dabei einen Kegel aus. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass das via Einlasskanal in den ringförmigen Kanal eingebrachte Öl auf die dem Kegel gegenüberliegende Wandung des Ringkanals gelenkt wird, wobei der auf die Wandung auftreffende Ölstrahl aufgesplittet und beidseitig des Kegels in den Ringkanal geleitet wird.
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Das Umlenken und beidseitige Einleiten des Öls in den ringförmigen Kanal wird durch das kegelförmige Ende des Einlasskanals, welches in den ringförmigen Kanal hineinragt, unterstützt und gewährleistet, dass möglichst viel von dem eingebrachten Öl im Ringkanal verbleibt und möglichst wenig eingebrachtes Öl den Ringkanal wieder verlässt, ohne den Ringkanal zu durchströmen und den Kolbenboden zu kühlen.
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Die vorstehend beschriebenen gegenständlichen Merkmale des Einlasskanals erhöhen die durch den Ringkanal bzw. die Ölgalerie geförderte Ölmenge und Fördergeschwindigkeit und verstärken damit die Kühlung des Kolbenbodens. Das Ergebnis ist eine effektivere Kolbenkühlung.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kegel des Einlasskanals eine konkave äußere Kegelmantelfläche aufweist.
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Eine konkave äußere Kegelmantelfläche unterstützt einlassseitig das Zuführen von Öl und das Einleiten in den ringförmigen Kanal.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Kanal auf der dem Einlasskanal gegenüberliegenden Seite mit einem Keil ausgestattet ist, welcher in den ringförmigen Kanal hineinragt.
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Der Keil unterstützt den Effekt, dass das via Einlasskanal in den ringförmigen Kanal eingebrachte Öl beidseitig des Kegels in den Ringkanal geleitet wird, und trägt damit zu einer effektiveren Kolbenkühlung bei.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Achse und die Zylinderlängsachse senkrecht zueinander verlaufen. Dabei müssen sich die Achsen nicht schneiden. Vielmehr können sie im Raum nebeneinander verlaufen. In einer Projektion in eine Ebene, welche die Zylinderlängsachse umfasst, schneidet die Achse aber die Zylinderlängsachse tatsächlich und zwar senkrecht.
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Der in Rede stehende Verlauf der Schwenkachse unterstützt das Verschwenken der Klappe unter Ausnutzung der Trägheit.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Achse und die Zylinderlängsachse nicht rechtwinkelig zueinander verlaufen. Dadurch kann bereits abgeführtes Öl in der Schließstellung der Klappe in vorteilhafter Weise an der Klappe entlang in die konkave äußere Kegelmantelfläche geleitet werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe aus Kunststoff gefertigt ist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe aus Metall gefertigt ist.
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Metall sorgt für ein höheres Gewicht der Klappe, wodurch der Effekt der Trägheit, welcher erfindungsgemäß zum Verschwenken genutzt wird, stärker zutage tritt. Hingegen erweist sich der leichtere Kunststoff als korrosionsbeständiger und kostengünstiger.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskanal und der Auslasskanal um einen Winkel α um die Zylinderlängsachse herum versetzt zueinander angeordnet sind.
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Strenggenommen werden zwei Winkel ausgebildet, wenn der Einlasskanal und der Auslasskanal um die Zylinderlängsachse herum versetzt zueinander angeordnet sind, da der Einlasskanal und der Auslasskanal über zwei Ringkanalabschnitte miteinander verbunden sind. Ausgehend vom Einlasskanal kann der Auslasskanal via Ringkanal im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erreicht werden. Vorteilhafterweise beträgt der Winkel α ≈ 180° bzw. beide Winkel α ≈ 180°.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: α > 140°. Je größer der Winkel ist, desto größer ist die minimale Wegstrecke, die das in den ringförmigen Kanal eingebrachte Öl im Ringkanal zurücklegen muss.
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Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kolben mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird, bei dem der Kolben schichtweise aufgebaut wird, und die Klappe in einem anschließenden Arbeitsschritt montiert wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kolben zumindest auch mittels 3D-Drucken hergestellt wird.
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Vorteilhaft können grundsätzlich auch Fertigungsverfahren sein, bei denen der Kolben mittels Gussverfahren mit anschließender spanender Verarbeitung hergestellt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie mitsamt dem Einlasskanal und dem Auslasskanal sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres nach dem Stand der Technik,
- 2a schematisch und im Querschnitt einen Abschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie mitsamt dem abzweigenden Auslasskanal und der Klappe in der Schließposition entsprechend einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
- 2b schematisch und im Querschnitt einen Abschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie mitsamt dem abzweigenden Auslasskanal und der Klappe in einer Arbeitsposition entsprechend der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie 3 mitsamt dem Einlasskanal 3c und dem Auslasskanal 3b sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres 1 nach dem Stand der Technik.
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Ein im Zylinderrohr 1 entlang der Zylinderlängsachse 1a translatorisch beweglicher Kolben ist nach dem Stand der Technik zur Ausbildung einer Ölkühlung mit einer im Kolbenboden integrierten Ölgalerie 3 ausgestattet, die einen ringförmigen Kanal 3a, einen mit dem ringförmigen Kanal 3a verbundenen Einlasskanal 3c zur Versorgung des ringförmigen Kanals 3a mit Öl sowie einen mit dem ringförmigen Kanal 3a verbundenen Auslasskanal 3b zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal 3a umfasst.
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Die Zylinderlängsachse 1a und die Kolbenlängsachse bilden vereinfacht eine gemeinsame, d.h. dieselbe Längsachse. Der Einlasskanal 3c und der Auslasskanal 3b treten kurbelgehäuseseitig aus dem Kolbenboden aus.
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Die Versorgung des Ringkanals 3a mit Öl erfolgt unter Verwendung einer Einspritzdüse, die hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnet ist und via einer Hauptölgalerie mit Öl versorgt wird. Der aus der Einspritzdüse austretende Einspritzstrahl 6 ist auf den Einlasskanal 3c ausgerichtet.
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Nach Durchlaufen des Ringkanals 3a verlässt das Öl die Ölgalerie 3 via Auslasskanal 3b. Das in das Kurbelgehäuse abgeführte Öl ist mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.
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Der Einlasskanal 3c und der Auslasskanal 3b sind um die Zylinderlängsachse 1a herum versetzt zueinander angeordnet. Ausgehend vom Einlasskanal 3c ist der Auslasskanal 3b via Ringkanal 3a im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu erreichen. Die dabei überstrichenen Winkel betragen vorliegend jeweils α ≈ 180°. Damit sind die beiden möglichen Wegstrecken, die das in den ringförmigen Kanal 3a eingebrachte Öl im Ringkanal 3a bis zum Auslasskanal 3b zurücklegt, in etwa gleichlang.
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2a zeigt schematisch und im Querschnitt einen Abschnitt des im Kolbenboden 2a eines Kolbens 2 integrierten ringförmigen Kanals 3a einer Ölgalerie 3 mitsamt dem abzweigenden Auslasskanal 3b und der Klappe 4 in der Schließposition entsprechend einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es wird ergänzend zum Stand der Technik gemäß 1 ausgeführt.
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Der Auslasskanal 3b ist kurbelgehäuseseitig mit einer verschwenkbaren Klappe 4 ausgestattet, die um eine Achse 4a verschwenkbar gelagert ist. Die Achse 4a verläuft vorliegend senkrecht zur Zylinderlängsachse 1a.
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Die Klappe 4 versperrt den Auslasskanal 3b in der dargestellten Schließposition und verhindert sowohl ein Abführen von Öl aus der Ölgalerie 3 als auch ein Eintreten von Öl aus dem Kurbelgehäuse in den Auslasskanal 3b. Die Klappe 4 verläuft vorliegend horizontal bzw. senkrecht zur Zylinderlängsachse 1a.
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Der ringförmige Kanal 3a ist auf der dem Auslasskanal 3b gegenüberliegenden Seite mit einem Keil 5 ausgestattet, der in den ringförmigen Kanal 3a hineinragt. Dieser Keil 5 ist parallel zur Zylinderlängsachse ausgerichtet und unterstützt das Sammeln und Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal 3a via Auslasskanal 3b bei geöffneter Klappe 4.
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Durch Verschwenken wird die Klappe 4 aus der Schließposition in eine Arbeitsposition überführt, in welcher die Klappe 4 den Auslasskanal 3b freigibt.
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2b zeigt schematisch und im Querschnitt einen Abschnitt des ringförmigen Kanals 3a mitsamt dem abzweigenden Auslasskanal 3b und der Klappe 4 in einer Arbeitsposition entsprechend der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 2a.
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Zum Verschwenken der Klappe 4 wird die oszillierende Hubbewegung des Kolbens genutzt. Die auf die Klappe 4 wirkende Trägheitskraft bewirkt ein abwechselndes Öffnen und Schließen der Klappe 4.
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Bewegt sich der Kolben ausgehend vom oberen Totpunkt in Richtung des unteren Totpunktes, wird die Klappe 4 aufgrund der Kolbenbeschleunigung in der Schließposition gehalten bzw. in die Schließposition geschwenkt, bevor die Klappe 4 infolge der einsetzenden Verzögerung des Kolbens vor Erreichen des unteren Totpunktes infolge ihrer Trägheit geöffnet wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Kolben in der Abwärtsbewegung bereits abgeführtes Öl wieder einfängt und bereits abgeführtes Öl wieder in den Auslasskanal 3b und den Ringkanal 3a gelangt.
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Bewegt der Kolben sich nach Durchlaufen des unteren Totpunktes wieder nach oben in Richtung des oberen Totpunktes, wird die Klappe 4 zunächst infolge ihrer Trägheit in Richtung der Offenstellung verschwenkt bzw. in einer Arbeitsposition offen gehalten, um dann vor Erreichen des oberen Totpunktes infolge der einsetzenden Verzögerung des Kolbens wieder geschlossen zu werden bzw. in Richtung der Schließposition verschwenkt zu werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderrohr
- 1a
- Zylinderlängsachse
- 2
- Kolben
- 2a
- Kolbenboden
- 3
- Ölgalerie
- 3a
- ringförmiger Kanal, Ringkanal
- 3b
- Auslasskanal
- 3c
- Einlasskanal
- 4
- Klappe
- 4a
- Achse
- 5
- Keil
- 6
- Einspritzstrahl
- 7
- abgeführtes Öl
- OT
- oberer Totpunkt
- UT
- unterer Totpunkt
- s
- Kolbenhub
