DE102020000320B4 - Brennkraftmaschine mit Kolben umfassend eine Ölgalerie und Verfahren zur Herstellung eines zugehörigen Kolbens - Google Patents

Abstract

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 (2a) des zylinderzugehörigen Kolbens (2), ein Zylinderrohr (1) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben (2) entlang einer Zylinderlängsachse (1a) translatorisch verschiebbar ist, und- jeder Kolben (2) mit einer im Kolbenboden (2a) integrierten Ölgalerie (3) ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal (3a), einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Einlasskanal (3c) zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl und einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Auslasskanal (3b) zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal (3a) umfasst.Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ölkühlung des Kolbens (2) verbessert ist.Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Auslasskanal (3b) mindestens einen siphonähnlichen Abschnitt (4) umfassend n ≥ 2 Biegungen (4a, 4b) um einen Winkel γi, aufweist, wobei aufeinanderfolgende Biegungen (4a, 4b) unterschiedliche Krümmungen aufweisen.

Description

• 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.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine.
• Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird in der DE 11 41 494 A beschrieben und 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.
• Die DE 11 26 679 A hat einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen zum Gegenstand. Der Kolben umfasst einen Kolbenboden und ein Kolbenhemd und ist mit einem ringförmigen Kühlmittelraum ausgestattet, in den ein Kühlmittelzulauf mündet. Ein zentraler Kühlmittelraum ist unterhalb der Kolbenbodenmitte angeordnet und weist einen Kühlmittelabfluss auf.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Folglich sind Maßnahmen erforderlich, mit denen ein Wiedereintreten von Öl in den Auslasskanal und den Ringkanal erschwert bzw. verhindert werden kann.
• 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.
• Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
• 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 mindestens einen siphonähnlichen Abschnitt umfassend n ≥ 2 Biegungen um einen Winkel γ_i aufweist, wobei aufeinanderfolgende Biegungen unterschiedliche Krümmungen aufweisen und der mindestens eine siphonähnliche Abschnitt (4) im Wesentlichen s-förmig ausgebildet ist.
• Der erfindungsgemäße Auslasskanal ist mit mindestens einem siphonähnlichen Abschnitt ausgestattet, welcher ein Wiedereintreten von Öl in den ringförmigen Kanal verhindert bzw. erschwert. Ein erfindungsgemäßer Siphon umfasst mindestens zwei Biegungen, wobei aufeinanderfolgende Biegungen unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Zu berücksichtigen ist, dass der Kanal sich in Strömungsrichtung nach rechts mit dem Uhrzeigersinn krümmen kann und nach links gegen den Uhrzeigersinn; in Strömungsrichtung vom fließenden Öl aus betrachtet. Die Richtungsänderung, die das Öl bzw. die Ölströmung beim Passieren einer Biegung infolge der Krümmung erfährt, bestimmt erfindungsgemäß den Winkel γ dieser Biegung. Die Grenze zwischen zwei aufeinanderfolgenden Biegungen liegt an der Stelle bzw. in dem Bereich, an welcher bzw. in welchem sich die Krümmung ändert.
• In den labyrinthartigen Auslasskanal eingeleitetes Öl durchströmt ein gewundenes Kanalsystem, wobei mit zunehmender zurückgelegter Wegstrecke und mit dem Passieren jeder Biegung die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass das Öl wieder in den ringförmigen Kanal zurück gelangt.
• - Die oszillierende Bewegung des Kolbens beim Betrieb der Brennkraftmaschine resultiert in einem Shaker-Effekt. Infolge der Hubbewegung des Kolbens wird das Öl gewissermaßen durch Schütteln aus der Ölgalerie in das Kurbelgehäuse hin gefördert.
• Erfindungsgemäß ist der mindestens eine siphonähnliche Abschnitt im Wesentlichen s-förmig ausgebildet. Dann weisen alle aufeinanderfolgende Biegungen unterschiedliche Krümmungen auf und die Biegungen haben eine Mindestkrümmung, nämlich die zur Ausformung eines S erforderliche Krümmung, die vorzugsweise einen Winkel γ_i ≥ 60° überstreicht.
• 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.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• 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.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Versorgung des ringförmigen Kanals mit Öl eine hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnete Einspritzdüse vorgesehen ist.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Auslasskanal ausgehend von dem ringförmigen Kanal anfangs 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.
• 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.
• 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.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine siphonähnliche Abschnitt zwei Biegungen umfasst.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ_i , gilt: γ_i ≥ 60°.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ_i gilt: γ_i ≥ 90°.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ_i , gilt: γ_i ≥ 100°.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ_i , gilt: γ_i ≥ 115°.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Biegung eine Tasche bzw. Ausnehmung aufweist, in denen sich via Auslasskanal abgeführtes Öl sammeln bzw. fangen kann.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kegel des Einlasskanals eine konkave äußere Kegelmantelfläche aufweist. Eine konkave äußere Kegelmantelfläche unterstützt einlassseitig das Zuführen von Öl und das Einleiten in den ringförmigen Kanal.
• 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. 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.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskanal und der Auslasskanal um einen Winkel α um die Zylinderlängsachse herum versetzt zueinander angeordnet sind.
• 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°.
• 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.
• 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.
• Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kolben zumindest auch mittels 3D-Drucken hergestellt wird.
• Vorteilhaft können grundsätzlich auch Fertigungsverfahren sein, bei denen der Kolben mittels Gussverfahren mit anschließender spanender Verarbeitung hergestellt wird.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele 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 entsprechend einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
• 2b schematisch und im Querschnitt einen Abschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie mitsamt dem abzweigenden Auslasskanal entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 entsprechend einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es wird ergänzend zum Stand der Technik gemäß 1 ausgeführt.
• Der Auslasskanal 3b weist einen siphonähnlichen Abschnitt 4 auf, der zwei Biegungen 4a, 4b umfasst, wobei die beiden Biegungen 4a, 4b unterschiedliche Krümmungen haben.
• Ausgehend von dem ringförmigen Kanal 3a der Ölgalerie 3 verläuft der Auslasskanal 3b anfangs parallel zur Zylinderlängsachse und krümmt sich stromabwärts - in Strömungsrichtung gesehen - zunächst nach rechts im Uhrzeigersinn, um sich anschließend nach links gegen den Uhrzeigersinn zu krümmen. Die Richtungsänderung, die der Auslasskanal 3b infolge einer Krümmung erfährt, bestimmt den Winkel γ_i , der jeweiligen Biegung. Vorliegend krümmt sich der Auslasskanal 3b bei der ersten Biegung 4a um einen Winkel γ₁ ≈ 110° nach rechts und bei der zweiten Biegung 4b um einen Winkel γ₂ ≈ 110° nach links. Stromabwärts des siphonähnlichen Abschnitts 4 erstreckt sich der Auslasskanal 3b wieder parallel zur Zylinderlängsachse.
• In den labyrinthartigen Auslasskanal 3b eingeleitetes Öl gelangt nach dem Passieren der ersten Biegung 4a nicht wieder in den ringförmigen Kanal 3a. Vielmehr sorgt die oszillierende Hubbewegung des Kolbens 2 für einen Shaker-Effekt, der das Öl durch Schütteln in das Kurbelgehäuse fördert.
• Die gezeigte Gestaltung bzw. Formgebung des Auslasskanals 3b gewährleistet ein effektives Abführen des Öls aus der Ölgalerie 3 und verbessert auf diese Weise die Ölkühlung des Kolbens 2.
• 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.
• 2b 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 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es wird ergänzend zu 2a ausgeführt und im Übrigen Bezug genommen auf 2a.
• Der Auslasskanal 3b weist zwei siphonähnliche Abschnitte 4 auf, die jeweils zwei Biegungen 4a, 4b umfassen, wobei die beiden Biegungen 4a, 4b unterschiedliche Krümmungen haben.
• Bezugszeichenliste

1

Zylinderrohr

1a

Zylinderlängsachse

2

Kolben

2a

Kolbenboden

3

Ölgalerie

3a

ringförmiger Kanal, Ringkanal

3b

Auslasskanal

3c

Einlasskanal

4

siphonähnlicher Abschnitt

4a

erste Biegung

4b

zweite Biegung

5

Keil

6

Einspritzstrahl

7

abgeführtes Öl

n

Anzahl der Biegungen

i

i-te Biegung

γ

Winkel einer Biegung, Krümmung einer Biegung

γi,

Winkel γ der i-ten Biegung

OT

oberer Totpunkt

UT

unterer Totpunkt

s

Kolbenhub

Claims (12)

1. 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 (2), bei der - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden (2a) des zylinderzugehörigen Kolbens (2), ein Zylinderrohr (1) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben (2) entlang einer Zylinderlängsachse (1a) zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT unter Ausbildung eines Kolbenhubs s translatorisch verschiebbar ist, und - jeder Kolben (2) zur Ausbildung einer Ölkühlung mit einer im Kolbenboden (2a) integrierten Ölgalerie (3) ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal (3a), einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Einlasskanal (3c) zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl (7) und einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Auslasskanal (3b) zum Abführen des Öls (7) aus dem ringförmigen Kanal (3a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (3b) mindestens einen siphonähnlichen Abschnitt (4) umfassend n ≥ 2 Biegungen (4a, 4b) um einen Winkel γ_i, aufweist, wobei aufeinanderfolgende Biegungen (4a, 4b) unterschiedliche Krümmungen aufweisen und der mindestens eine siphonähnliche Abschnitt (4) im Wesentlichen s-förmig ausgebildet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (3c) und/oder der Auslasskanal (3b) parallel zu der Zylinderlängsachse (1a) ausgerichtet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl (7) eine hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnete Einspritzdüse vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (3b) ausgehend von dem ringförmigen Kanal (3a) anfangs trichterförmig sich verjüngend ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (3a) auf der dem Auslasskanal (3b) gegenüberliegenden Seite mit einem Keil (5) ausgestattet ist, welcher in den ringförmigen Kanal (3a) hineinragt.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Keil (5) sich parallel zu der Zylinderlängsachse (1a) erstreckt und ausgerichtet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine siphonähnliche Abschnitt (4) zwei Biegungen (4a, 4b) umfasst.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ_i, gilt: γ_i ≥ 60°.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ_i gilt: γ_i, ≥ 90°.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ_i, gilt: γ_i, ≥ 100°.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ_i, gilt: γ_i, ≥ 115°.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (2) einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird, bei dem der Kolben (2) schichtweise aufgebaut wird.

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