DE102020000321A1 - Internal combustion engine with cooled piston and method for producing an associated piston - Google Patents

Internal combustion engine with cooled piston and method for producing an associated piston Download PDF

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DE102020000321A1
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Anselm Hopf
Frank Krämer
Carsten Weber
Günter Grosch
Paul Nigel Turner
Loic Wendling
Marek Behr
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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 des zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr (1) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse (1a) translatorisch verschiebbar ist, und- jeder Kolben mit einer im Kolbenboden integrierten Ölgalerie (3) ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal (3a), einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Einlasskanal (3b) zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl und einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Auslasskanal (3c) zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal (3a) umfasst.Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ölkühlung des Kolbens verbessert ist und ein effektiveres Kühlen des Kolbens gewährleistet.Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der ringförmige Kanal (3a) zumindest abschnittsweise einen Querschnitt (4) aufweist, der ein Mittelstück (4a) und mehrere Zungen (4b) umfasst, wobei die Zungen (4b) umfänglich und nach außen ausgerichtet angeordnet sind.The invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder head with at least one cylinder, and at least one cylinder block connected to the at least one cylinder head and serving as the upper crankcase half for receiving at least one piston, in which each cylinder comprises a combustion chamber that is defined by a piston head of the piston belonging to the cylinder, a cylinder tube (1) and the at least one cylinder head is also formed, the piston being translationally displaceable along a cylinder longitudinal axis (1a), and each piston is equipped with an oil gallery (3) integrated in the piston crown, which has an annular Channel (3a), an inlet channel (3b) connected to the ring-shaped channel (3a) for supplying the ring-shaped channel (3a) with oil and an outlet channel (3c) connected to the ring-shaped channel (3a) for discharging the oil from the ring-shaped channel (3a). It is intended to provide an internal combustion engine that hinsic The oil cooling of the piston is improved and more effective cooling of the piston is ensured. This is achieved with an internal combustion engine which is characterized in that the annular channel (3a) has, at least in sections, a cross-section (4) which has a center piece (4a) and comprises a plurality of tongues (4b), the tongues (4b) being arranged circumferentially and directed outwards.

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.
The invention relates to an internal combustion engine with
  • - at least one cylinder head with at least one cylinder, and
  • - At least one cylinder block connected to the at least one cylinder head and serving as the upper crankcase half for receiving at least one piston, in which
  • - Each cylinder comprises a combustion chamber which is formed by a piston head of the cylinder-associated piston, a cylinder tube and the at least one cylinder head, the piston along a cylinder longitudinal axis between a top dead center OT and a bottom dead center UT with the formation of a piston stroke s is translationally displaceable, and
  • - Each piston is equipped to form an oil cooling system with an oil gallery integrated in the piston crown, which has an annular channel, an inlet channel connected to the annular channel for supplying the annular channel with oil and an outlet channel connected to the annular channel for discharging the oil from the annular channel Channel includes.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine.The invention also relates to a method for producing a piston of such an internal combustion engine.

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. An internal combustion engine of the type mentioned is used, for example, as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine relates to diesel engines and Otto engines, but also to hybrid internal combustion engines, ie internal combustion engines that are operated with a hybrid internal combustion process, as well as hybrid drives that, in addition to the internal combustion engine, have at least one additional torque source for driving a motor vehicle include, for example, an electric machine that can be or is drive-connected to the internal combustion engine and which delivers power instead of the internal combustion engine or in addition to the internal combustion engine.

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.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which can be or are connected to one another to form the individual cylinders, i.e. combustion chambers. The individual components are briefly discussed below.

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.The cylinder head is used to hold the control elements and, when the camshaft is overhead, to hold the valve trains as a whole. As part of the gas exchange, the combustion gases are expelled via the at least one outlet opening and the combustion chamber is filled via the at least one inlet opening of each cylinder. To control the gas exchange, lift valves are used almost exclusively as control elements in four-stroke engines, which perform an oscillating lift movement during operation of the internal combustion engine and in this way open and close the inlet opening or outlet opening. The valve actuation mechanism required to move a valve, including the valve itself, is called a valve train.

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.In the case of externally ignited internal combustion engines, the required ignition device can also be arranged, and in the case of direct-injection internal combustion engines, the injection device can also be arranged in the cylinder head. To form a functionally appropriate connection between the cylinder head and the cylinder block that seals the combustion chambers, a sufficient number of sufficiently large bores must be provided.

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.The cylinder block has a corresponding number of cylinder bores or cylinder liners to accommodate the pistons. The piston of each cylinder of an internal combustion engine is guided axially movably along the longitudinal axis of the cylinder in a cylinder tube and, together with the cylinder tube and the cylinder head, delimits the combustion chamber of a cylinder. The piston crown forms part of the inner wall of the combustion chamber and, together with the piston rings, seals the combustion chamber against the cylinder block or the crankcase so that no combustion gases or combustion air get into the crankcase and no oil gets into the combustion chamber. The cylinder tube is formed either using a cylinder liner that can be inserted into the cylinder block or directly through the cylinder block itself, namely the cylinder bore.

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.The piston is used to transfer the gas forces generated by the combustion to the crankshaft. For this purpose, each piston is articulated by means of a piston pin with a connecting rod, which in turn is movable on the crankshaft. is stored.

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.The crankshaft mounted in the crankcase absorbs the connecting rod forces, which are made up of the gas forces resulting from the combustion of fuel in the combustion chamber and the inertial forces resulting from the non-uniform movement of the engine parts. The oscillating stroke movement of the pistons is transformed into a rotating rotary movement of the crankshaft. The crankshaft transfers the torque to the drive train. Part of the energy transferred to the crankshaft is used to drive auxiliary equipment such as the Oil pump and the alternator are used or are used to drive the camshaft and thus actuate the valve trains.

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.In general and within the scope of the present invention, the upper crankcase half is formed by the cylinder block. The crankcase is regularly supplemented by the lower crankcase half, which can be mounted on the upper crankcase half and serves as an oil pan.

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.At least two bearings are provided in the crankcase to accommodate and support the crankshaft. To supply the bearings with oil, a pump is provided for conveying engine oil to the at least two bearings, the pump supplying a main oil gallery, from which ducts lead to the at least two bearings, with engine oil via a supply line. To form the so-called main oil gallery, a main supply channel is often provided which is aligned along the longitudinal axis of the crankshaft. The main supply channel can be arranged above or below the crankshaft in the crankcase or can also be integrated into the crankshaft.

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.The pump itself is regularly supplied with engine oil from the oil sump via the suction line that leads from the oil pan to the pump and must ensure a sufficiently large flow rate, i.e. a sufficiently high delivery volume and for a sufficiently high oil pressure in the supply system, especially in the main oil gallery, care for.

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.A camshaft is supplied with oil in an analogous manner. Other consumers who consume or need engine oil to fulfill and maintain their function, i.e. must be supplied with engine oil, are the bearings of a connecting rod or a balancer shaft that may be provided. Another consumer in the aforementioned sense is also a spray oil cooling system, which wets the piston crown with engine oil for the purpose of cooling by means of a nozzle from below, i.e. on the crankcase side. The spray oil cooling needs or consumes oil, i.e. the spray oil cooling must be supplied with oil.

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.The spray oil cooling of a piston, which sprays the piston crown with engine oil for the purpose of cooling, prefers an engine oil that is as cool as possible, i.e. an engine oil of the lowest possible temperature, in order to be able to extract the greatest possible amount of heat from the piston. This is to prevent thermal overload or overheating of the piston.

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.In this context, it must be taken into account that internal combustion engines are increasingly being charged - for example by means of exhaust gas turbochargers or mechanical or electrical chargers - in order to reduce fuel consumption, i.e. to improve efficiency. This increases both the thermal and the mechanical load on the internal combustion engine or the piston, so that increased requirements must be placed on the cooling and measures must be taken that do justice to the thermal and mechanical load.

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.The cylinder block of an internal combustion engine is also a component that is subject to high thermal and mechanical loads. Due to the higher heat capacity of liquids compared to air, significantly larger amounts of heat can be dissipated with liquid cooling than is possible with air cooling. For this reason, internal combustion engines are increasingly being equipped with liquid cooling.

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.Liquid cooling requires the internal combustion engine or the cylinder block to be equipped with at least one integrated coolant jacket that guides the coolant through the cylinder block. The heat given off to the coolant is withdrawn from the coolant again, for example in a heat exchanger. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the coolant circuit, so that it circulates.

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.Like the cylinder block, the cylinder head can also be equipped with one or more coolant jackets. The cylinder head is usually the component subject to higher thermal loads, since the head, in contrast to the cylinder block, is provided with exhaust-gas-carrying lines and the combustion chamber walls integrated in the head are exposed to hot exhaust gas for longer than the cylinder tubes provided in the cylinder block. In addition, the cylinder head has a lower component mass than the 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.The large temperature differences in the cylinder block when an internal combustion engine is in operation result in a more or less large thermal distortion of the cylinder tube of a cylinder. This so-called bore distortion has several disadvantageous effects in practice. So that the piston, in cooperation with the cylinder tube and the piston rings, can effectively seal the combustion chamber against the crankcase despite the bore distortion, the preloading forces of the rings are increased according to the prior art, which, however, disadvantageously increases the friction or frictional power of the internal combustion engine. Basically, efforts are made to minimize the frictional power of an internal combustion engine in order to reduce fuel consumption and thus also pollutant emissions.

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.Effective cooling of the piston counteracts the effects described above. Even the pistons of the internal combustion engine of the present invention have an oil cooling system, the piston crown of each piston being sprayed with engine oil not only by means of splash oil cooling. Rather, according to the invention, each piston is equipped with an oil gallery which has channels integrated into the piston and which guides oil through the piston via these channels for the purpose of cooling.

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.According to the prior art, such an oil gallery comprises an annular channel, a nozzle-like inlet for supplying the annular channel with oil and a nozzle-like outlet for discharging the oil from the annular channel (see also FIG 1 ). Oil is regularly fed into the ring channel of the oil gallery by injecting it into the inlet port, using an injection nozzle that is stationary with respect to the cylinder block and is supplied with oil via the main oil gallery. The injected oil has a certain pumping effect on the oil already in the ring channel and conveys this oil towards the outlet. The removal of the oil from the annular channel is, however, dominated in particular by the oscillating movement of the piston.

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.Investigations have shown that large quantities of the oil injected into the inlet do not enter the ring channel or remain in the ring channel, but leave the oil gallery again via the inlet without flowing through the ring channel. The oil is not conveyed through the ring channel or the oil gallery, which is a prerequisite for effective piston cooling.

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.The reciprocating movement of the piston, which oscillates during operation of the internal combustion engine, regularly ensures on the outlet side that oil that has already been discharged into the crankcase returns to the outlet channel and back into the annular channel via the outlet channel. This effect makes it difficult to drain the oil from the oil gallery. The reason for this is that the piston, which moves downwards from top dead center, recaptures oil that has already been drained away. Strong turbulence in the crankcase supports this disadvantageous effect.

Es sind Maßnahmen erforderlich, mit denen die Ölkühlung des Kolbens verbessert und ein effektiveres Kühlen des Kolbens ermöglicht wird.Measures are required to improve the oil cooling of the piston and allow the piston to be cooled more effectively.

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 Kühlen des Kolbens gewährleistet.Against the background of what has been said, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 which is improved with regard to the oil cooling of the piston and in particular ensures more effective cooling of the piston.

Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.Another sub-object of the invention is to provide a method for producing a piston of such an internal combustion engine.

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 ringförmige Kanal zumindest abschnittsweise einen Querschnitt aufweist, der ein Mittelstück und mehrere Zungen umfasst, wobei die Zungen umfänglich und nach außen ausgerichtet angeordnet sind.The first sub-task is also solved by an internal combustion engine
  • - at least one cylinder head with at least one cylinder, and
  • - At least one cylinder block connected to the at least one cylinder head and serving as the upper crankcase half for receiving at least one piston, in which
  • - Each cylinder comprises a combustion chamber which is formed by a piston head of the cylinder-associated piston, a cylinder tube and the at least one cylinder head, the piston along a cylinder longitudinal axis between a top dead center OT and a bottom dead center UT with the formation of a piston stroke s is translationally displaceable, and
  • - Each piston is equipped to form an oil cooling system with an oil gallery integrated in the piston crown, which has an annular channel, an inlet channel connected to the annular channel for supplying the annular channel with oil and an outlet channel connected to the annular channel for discharging the oil from the annular channel Channel includes,
which is characterized in that the annular channel has, at least in sections, a cross section which comprises a central piece and a plurality of tongues, the tongues being arranged circumferentially and oriented outwards.

Der ringförmige Kanal verfügt erfindungsgemäß nicht durchgehend über einen runden bzw. kreisförmigen Querschnitt wie Ringkanäle herkömmlicher Ölkühlungen nach dem Stand der Technik.According to the invention, the ring-shaped channel does not consistently have a round or circular cross section like ring channels of conventional oil cooling systems according to the prior art.

Vielmehr weist der erfindungsgemäße Ringkanal zumindest abschnittsweise einen von der Kreisform bzw. von der runden Form abweichenden Querschnitt auf.Rather, the annular channel according to the invention has, at least in sections, a cross-section deviating from the circular shape or from the round shape.

Der erfindungsgemäße Ringkanal weist zumindest abschnittsweise einen Querschnitt auf, der ein Mittelstück und mehrere, d.h. mindestens zwei Zungen umfasst. Die Zungen sind umfänglich um das Mittelstück und nach außen ausgerichtet angeordnet.The ring channel according to the invention has, at least in sections, a cross section which comprises a central piece and several, i.e. at least two, tongues. The tongues are arranged circumferentially around the center piece and directed outwards.

Ein derartiger Querschnitt vergrößert die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Ringkanal und dem Kolbenboden, d.h. zwischen dem kühlenden Öl und dem zu kühlenden Kolbenmaterial erheblich. Daraus resultiert ein erhöhter Wärmeeintrag vom Kolben in das Öl, d.h. eine verstärkte Kühlung des Kolbenbodens. Das Ergebnis ist eine effektivere Kolbenkühlung.Such a cross section increases the heat-transferring surface between the ring channel and the piston head, that is to say between the cooling oil and the piston material to be cooled. This results in an increased heat input from the Piston in the oil, ie increased cooling of the piston crown. The result is more effective piston cooling.

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 Kühlen des Kolbens gewährleistet.With the internal combustion engine according to the invention, the first object on which the invention is based is achieved, namely an internal combustion engine which is improved with regard to the oil cooling of the piston and in particular ensures more effective cooling of the piston.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zungen umfänglich und radial nach außen ausgerichtet angeordnet sind. Die radiale Ausrichtung nimmt dabei Bezug auf einen mittleren Stromfaden bzw. die Längsachse des Ringkanals, entlang der sich der Ringkanal erstreckt und die durch das Mittelstück hindurchgeht.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the tongues are arranged circumferentially and oriented radially outward. The radial alignment refers to a central stream filament or the longitudinal axis of the ring channel, along which the ring channel extends and which passes through the middle piece.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zungen umfänglich regelmäßig angeordnet sind. Dies sorgt für eine gewisse Symmetrie und Gleichbehandlung der umfänglichen Ringkanalabschnitte.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the tongues are arranged regularly around the circumference. This ensures a certain symmetry and equal treatment of the circumferential ring channel sections.

Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Zungen umfänglich unregelmäßig angeordnet sind.Nonetheless, embodiments of the internal combustion engine in which the tongues are arranged circumferentially irregularly can also be advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Zungen unterschiedlich groß sind und/oder eine unterschiedliche Form aufweisen.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least two tongues are of different sizes and / or have a different shape.

Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zungen von gleicher Form und gleichgroß sind. Eine derartige Ausgestaltung der Zungen führt zu Vorteilen bei der Fertigung des Kolbens; insbesondere, wenn der Kolben im Gießverfahren hergestellt wird. Zusammen mit einer umfänglich regelmäßigen Anordnung der Zungen ergeben sich Ausführungsformen, bei denen der Querschnitt des Ringkanals zumindest abschnittsweise eine blütenförmige Gestalt aufweist bzw. annimmt.However, embodiments of the internal combustion engine in which the tongues are of the same shape and size are particularly advantageous. Such a design of the tongues leads to advantages in the manufacture of the piston; especially if the piston is manufactured by casting. Together with a circumferentially regular arrangement of the tongues, embodiments result in which the cross section of the annular channel has or assumes a flower-shaped shape at least in sections.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Zunge eine polygonale Form aufweist.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least one tongue has a polygonal shape.

Eine polygonale, d.h. vieleckige Zunge hat mindestens drei Seiten. Vorteilhaft kann es sein, die Ecken abzurunden. Dies kann zu Vorteilen bei der Fertigung des Kolbens führen; insbesondere, wenn der Kolben im Gießverfahren hergestellt wird.A polygonal, i.e. polygonal, tongue has at least three sides. It can be advantageous to round off the corners. This can lead to advantages in the manufacture of the piston; especially if the piston is manufactured by casting.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Zunge eine dreieckige Form aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one tongue has a triangular shape are also advantageous.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Zunge eine runde Form aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one tongue has a round shape are also advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Zunge eine rechteckige Form aufweist. Die rechteckige Form ist eine spezielle polygonale Form.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least one tongue has a rectangular shape. The rectangular shape is a special polygonal shape.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Zunge trapezförmig ist. Das Trapez ist eine spezielle polygonale Form.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least one tongue is trapezoidal. The trapezoid is a special polygonal shape.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Querschnitt sich entlang des ringförmigen Kanals um einen mittleren Stromfaden herum spiralförmig windet.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the cross section spirals along the annular channel around a central flow filament.

In Strömungsrichtung betrachtet kann die Windung des Kanals im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns erfolgen. Die Steigung der Spirale kann über den gesamten Ringkanal einheitlich sein, aber auch variieren. Die spiralförmige Windung des Querschnitts sorgt für eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche zwischen dem Ringkanal und dem Kolbenboden, d.h. zwischen dem Öl und dem Kolbenmaterial. Ein erhöhter Wärmeeintrag in das Öl ist das Ergebnis. Weiterhin wird das Öl durch die oszillierende Kolbenbewegung in die spiralförmig gewundenen Zungen bzw. Vertiefungen gedrückt und gleichzeitig entlang der Zungen in Richtung Auslass befördert. Dadurch wird das erwärmte Öl schneller in horizontale Richtung bewegt und abgeführt. Der Massendurchfluss des Öls durch die Ölgalerie erhöht sich und somit verbessert sich die Kühlung des Kolbens. Viewed in the direction of flow, the canal can be turned clockwise or counterclockwise. The pitch of the spiral can be uniform over the entire ring channel, but it can also vary. The spiral-shaped winding of the cross-section increases the heat-transferring area between the ring channel and the piston crown, i.e. between the oil and the piston material. The result is an increased heat input into the oil. Furthermore, the oscillating piston movement pushes the oil into the spiral-shaped tongues or depressions and at the same time it is conveyed along the tongues towards the outlet. As a result, the heated oil is moved more quickly in the horizontal direction and discharged. The mass flow of the oil through the oil gallery increases and thus the cooling of the piston improves.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Kanal zumindest abschnittsweise mäandert. Auch diese Ausgestaltung vergrößert die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Ringkanal und dem Kolbenboden.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the annular channel meanders at least in sections. This configuration also increases the heat-transferring surface between the annular channel and the piston head.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Kanal mit der spiralförmigen Windung des Querschnitts entlang des mittleren Stromfadens, d.h. in Strömungsrichtung betrachtet, abschnittsweise gestreckt oder gestaucht ist, wodurch sich die lokale Steigung der Spirale, d.h. der spiralförmigen Windung verändern lässt. D.h. die lokale Steigung der spiralförmigen Windung variiert. Mit dieser Maßnahme lässt sich die lokale horizontale Geschwindigkeit des Öls in Richtung Auslass verändern bzw. einstellen, womit eine unterschiedliche Kühlung der Kolbenbereiche gesteuert werden kann. Beispielsweise kann die Kolbenseite unterhalb des Auslassventils bzw. der Auslassventile eine höhere Wärmebelastung haben als die der Einlassseite. Durch die unterschiedlich starke Kühlung kann eine homogenere Temperaturverteilung im Kolben realisiert werden. Auf diese Weise können die Reibung und der Kraftstoffverbrauch vorteilhaft beeinflusst werden.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the annular channel with the spiral turn of the cross section along the central flow filament, ie viewed in the direction of flow, is stretched or compressed in sections, whereby the local slope of the spiral, ie the spiral turn, can be changed. Ie the local slope of the spiral winding varies. With this measure, the local horizontal speed of the oil in the direction of the outlet can be changed or adjusted, which means a different cooling of the piston areas can be controlled. For example, the piston side below the outlet valve or the outlet valves can have a higher thermal load than that of the inlet side. Due to the different degrees of cooling, a more homogeneous temperature distribution in the piston can be achieved. In this way, the friction and the fuel consumption can be influenced in an advantageous manner.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Kanal - vorzugsweise mit einer spiralförmigen Windung des Querschnitts - auf dem äußersten Umfang glatt ist, d.h. keine Zungen aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die starke vertikale oszillierende Bewegung des Öls in der Galerie nicht im Mittelteil des Ringkanals durch die Zungen gebremst wird, sondern weiter in Richtung oberer bzw. unterer Wandung, d.h. entlang der Zylinderlängsachse beschleunigt wird und damit die Kühlung verbessert wird.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the annular channel - preferably with a spiral turn of the cross section - is smooth on the outermost circumference, i.e. has no tongues. The advantage of this embodiment is that the strong vertical oscillating movement of the oil in the gallery is not braked by the tongues in the middle part of the ring channel, but is accelerated further in the direction of the upper or lower wall, ie along the longitudinal axis of the cylinder, thus improving the cooling .

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Versorgung des ringförmigen Kanals mit Öl eine hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnete Einspritzdüse vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which an injection nozzle which is arranged in a stationary manner with respect to the cylinder block is provided to supply the annular channel with oil.

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.The second sub-task on which the invention is based, namely to show a method for manufacturing a piston of an internal combustion engine of the type mentioned above, is achieved by a method which is characterized in that the piston is manufactured using an additive manufacturing method in which the piston is built up in layers .

Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kolben zumindest auch mittels 3D-Drucken hergestellt wird.Embodiments of the method in which the piston is at least also produced by means of 3D printing are advantageous.

Vorteilhaft können grundsätzlich auch Fertigungsverfahren sein, bei denen der Kolben mittels Gussverfahren mit anschließender spanender Verarbeitung hergestellt wird.In principle, manufacturing processes in which the piston is manufactured by means of a casting process with subsequent machining can also be advantageous.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier Ausführungsbeispielen und gemäß den 1, 2a, 2b, 2c, 2d, 3 und 4 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

  • 1 schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie mitsamt dem Einlasskanal und dem Auslasskanal sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres gemäß einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
  • 2a schematisch den Querschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie entsprechend der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 1,
  • 2b schematisch den Querschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
  • 2c schematisch den Querschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie entsprechend einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
  • Fig.,2d schematisch den Querschnitt des ringförmigen Kanals der Ölgalerie entsprechend einer vierten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
  • 3 schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie mitsamt dem Einlasskanal und dem Auslasskanal sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres gemäß einer fünften Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
  • 4 schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie mitsamt dem Einlasskanal und dem Auslasskanal gemäß einer sechsten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
In the following, the invention is based on four exemplary embodiments and in accordance with FIGS 1 , 2a , 2 B , 2c , 2d , 3 and 4th described in more detail. Here shows:
  • 1 schematically and in a perspective view the oil gallery together with the inlet channel and the outlet channel as well as a section of the cylinder tube according to a first embodiment of the internal combustion engine,
  • 2a schematically shows the cross section of the annular channel of the oil gallery according to the first embodiment of the internal combustion engine according to FIG 1 ,
  • 2 B schematically the cross section of the annular channel of the oil gallery according to a second embodiment of the internal combustion engine,
  • 2c schematically the cross section of the annular channel of the oil gallery according to a third embodiment of the internal combustion engine,
  • 2d schematically shows the cross section of the annular channel of the oil gallery according to a fourth embodiment of the internal combustion engine,
  • 3 schematically and in a perspective view, the oil gallery together with the inlet channel and the outlet channel as well as a section of the cylinder tube according to a fifth embodiment of the internal combustion engine, and
  • 4th schematically and in a perspective view, the oil gallery together with the inlet channel and the outlet channel according to a sixth embodiment of the internal combustion engine.

1 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie 3 mitsamt dem Einlasskanal 3b und dem Auslasskanal 3c sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. 1 shows the oil gallery schematically and in a perspective view 3 including the inlet port 3b and the outlet duct 3c and a section of the cylinder tube 1 according to a first embodiment of the internal combustion engine.

Ein im Zylinderrohr 1 entlang der Zylinderlängsachse 1a translatorisch beweglicher Kolben ist 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 3b zur Versorgung des ringförmigen Kanals 3a mit Öl sowie einen mit dem ringförmigen Kanal 3a verbundenen Auslasskanal 3c zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal 3a umfasst.One in the cylinder tube 1 along the longitudinal axis of the cylinder 1a A translationally movable piston is used to create an oil cooling system with an oil gallery integrated in the piston crown 3 equipped with an annular channel 3a , one with the annular channel 3a connected inlet port 3b to supply the ring-shaped canal 3a with oil and one with the annular channel 3a connected exhaust port 3c for draining the oil from the annular channel 3a includes.

Die Zylinderlängsachse 1a und die Kolbenlängsachse bilden vereinfacht eine gemeinsame, d.h. dieselbe Längsachse. Der Einlasskanal 3b und der Auslasskanal 3c treten kurbelgehäuseseitig aus dem Kolbenboden aus.The cylinder longitudinal axis 1a and, in a simplified manner, the piston longitudinal axis form a common, ie the same longitudinal axis. The inlet port 3b and the outlet duct 3c emerge from the piston crown on the crankcase side.

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 ist auf den Einlasskanal 3b ausgerichtet. Nach Durchlaufen des Ringkanals 3a verlässt das Öl die Ölgalerie 3 via Auslasskanal 3c.The supply of the ring canal 3a with oil takes place using an injection nozzle which is fixedly arranged with respect to the cylinder block and is supplied with oil via a main oil gallery. The injection jet emerging from the injection nozzle is on the inlet channel 3b aligned. To Passing through the ring channel 3a the oil leaves the oil gallery 3 via the outlet duct 3c .

Der Einlasskanal 3b und der Auslasskanal 3c sind um die Zylinderlängsachse 1a herum versetzt zueinander angeordnet. Ausgehend vom Einlasskanal 3b ist der Auslasskanal 3c 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 3c zurücklegt, in etwa gleichlang.The inlet port 3b and the outlet duct 3c are around the longitudinal axis of the cylinder 1a arranged around offset to one another. Starting from the inlet port 3b is the exhaust port 3c via ring channel 3a clockwise and counterclockwise to achieve. In the present case, the angles swept over each amount to α ≈ 180 °. These are the two possible routes that this takes in the annular canal 3a introduced oil in the ring channel 3a to the exhaust duct 3c covered, roughly the same length.

Der ringförmige Kanal 3a weist vorliegend auf seiner gesamten Länge einen Querschnitt 4 auf, der ein Mittelstück 4a und mehrere Zungen 4b umfasst (siehe auch 2a).The annular canal 3a in the present case has a cross section over its entire length 4th on that a center piece 4a and multiple tongues 4b includes (see also 2a) .

Ein derartiger Querschnitt 4 vergrößert die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Ringkanal 3a und dem Kolbenboden, d.h. zwischen dem kühlenden Öl und dem zu kühlenden Kolbenmaterial.Such a cross-section 4th increases the heat transferring area between the ring channel 3a and the piston crown, ie between the cooling oil and the piston material to be cooled.

Die Zungen 4b sind umfänglich regelmäßig angeordnet, radial nach außen ausgerichtet, von gleicher Form und gleichgroß. Gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform weisen die Zungen 4b eine runde Form auf. Die Zungen 4b sind an ihrem freien Ende kreisförmig ausgebildet. Es ergibt sich eine blütenförmige Gestalt des Querschnitts 4, wie aus 2a ersichtlich ist, die den Querschnitt 4 des ringförmigen Kanals 3a gemäß 1 zeigt.The tongues 4b are regularly arranged circumferentially, aligned radially outwards, of the same shape and of the same size. According to the in 1 illustrated first embodiment have the tongues 4b a round shape. The tongues 4b are circular at their free end. The cross-section is shaped like a flower 4th how out 2a can be seen showing the cross section 4th of the annular channel 3a according to 1 indicates.

Der Querschnitt 4 windet sich entlang des ringförmigen Kanals 3a spiralförmig um einen mittleren Stromfaden 5 herum. Im linken Zweig des Ringkanals 3a windet sich der Querschnitt 4 - in Strömungsrichtung betrachtet - im Uhrzeigersinn um den mittleren Stromfaden 5 herum. Im rechten Zweig des Ringkanals 3a windet sich der Querschnitt 4 entgegen des Uhrzeigersinns. Die spiralförmige Windung des Querschnitts 4 sorgt für eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche zwischen dem Ringkanal 3a und dem Kolbenboden. Der mittlere Stromfaden 5 bildet die Längsachse 5 des Ringkanals 3a, entlang der sich der Ringkanal 3a erstreckt und die durch das Mittelstück 4a hindurchgeht.The cross section 4th winds along the ring-shaped canal 3a spiral around a central stream filament 5 around. In the left branch of the ring canal 3a the cross-section winds 4th - viewed in the direction of flow - clockwise around the central stream filament 5 around. In the right branch of the ring canal 3a the cross-section winds 4th counterclockwise. The spiral turn of the cross-section 4th ensures an enlargement of the heat transferring surface between the ring channel 3a and the piston crown. The middle stream filament 5 forms the longitudinal axis 5 of the ring channel 3a , along which the ring canal 3a extends and through the middle piece 4a passes through.

Das Öl wird durch die oszillierende Kolbenbewegung in die spiralförmig gewundenen Zungen 4b, d.h. Vertiefungen gedrückt und gleichzeitig entlang der Zungen 4b in Richtung Auslasskanal 3c gelenkt und befördert. Dadurch wird das erwärmte Öl schneller durch den Ringkanal 3a gefördert, wodurch sich der Massendurchfluss durch die Ölgalerie 3 erhöhen und die Kühlung des Kolbens verbessern lässt.The oil is drawn into the spirally wound tongues by the oscillating piston movement 4b , ie depressions pressed and at the same time along the tongues 4b towards the exhaust port 3c steered and conveyed. This allows the heated oil to pass through the ring channel more quickly 3a promoted, thereby increasing the mass flow through the oil gallery 3 increase and improve the cooling of the piston.

2b zeigt schematisch den Querschnitt 4 des ringförmigen Kanals 3a der Ölgalerie 3 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Die Zungen 4b weisen eine dreieckige Form auf. 2 B shows schematically the cross section 4th of the annular channel 3a the oil gallery 3 according to a second embodiment of the internal combustion engine. The tongues 4b have a triangular shape.

2c zeigt schematisch den Querschnitt 4 des ringförmigen Kanals 3a der Ölgalerie 3 entsprechend einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Die Zungen 4b weisen eine rechteckige Form auf. 2c shows schematically the cross section 4th of the annular channel 3a the oil gallery 3 according to a third embodiment of the internal combustion engine. The tongues 4b have a rectangular shape.

2d zeigt schematisch den Querschnitt 4 des ringförmigen Kanals 3a der Ölgalerie 3 entsprechend einer vierten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Die Zungen 4b sind trapezförmig. 2d shows schematically the cross section 4th of the annular channel 3a the oil gallery 3 according to a fourth embodiment of the internal combustion engine. The tongues 4b are trapezoidal.

Die Ecken der Zungen 4b gemäß 2b, 2c und 2d sind vorzugsweise abgerundet. Der Ringkanal 3a kann in Richtung der Zylinderlängsachse 1a gestaucht oder gestreckt sein bzw. werden, so dass der Ringkanal 3a in der Grundform keinen Kreis bildet, sondern vielmehr eine Ellipse, deren größere Achse entweder in Richtung der Zylinderlängsachse 1a oder quer zur Zylinderlängsachse 1a verläuft.The corners of the tongues 4b according to 2 B , 2c and 2d are preferably rounded. The ring canal 3a can in the direction of the cylinder longitudinal axis 1a be compressed or stretched, so that the annular channel 3a in the basic form does not form a circle, but rather an ellipse, the larger axis of which is either in the direction of the longitudinal axis of the cylinder 1a or transversely to the longitudinal axis of the cylinder 1a runs.

3 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Ansicht die Ölgalerie 3 mitsamt dem Einlasskanal 3b und dem Auslasskanal 3c sowie einen Abschnitt des Zylinderrohres 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 und die in diesem Zusammenhang gemachten Ausführungen. 3 shows the oil gallery schematically and in a perspective view 3 including the inlet port 3b and the outlet duct 3c and a section of the cylinder tube 1 according to a fifth embodiment of the internal combustion engine. Only the differences to the one in 1 illustrated embodiment are discussed, which is why reference is otherwise made to 1 and the statements made in this context.

Der ringförmige Kanal 3a weist auf seinem äußersten Umfang keine Zungen 4b auf und ist damit auf seinem äußersten Umfang glatt. Dadurch wird verhindert, dass die vertikale Bewegung des Öls in der Galerie 3, hervorgerufen durch die oszillierende Kolbenbewegung in Richtung der Zylinderlängsachse 1a, nicht im Mittelteil durch Zungen 4b abgebremst wird, sondern ungestört in Richtung der oberen und unteren Wandung beschleunigt wird, wodurch die Kühlung verbessert wird.The annular canal 3a has no tongues on its outermost circumference 4b and is thus smooth on its outermost circumference. This prevents the vertical movement of the oil in the gallery 3 caused by the oscillating piston movement in the direction of the cylinder's longitudinal axis 1a , not in the middle part by tongues 4b is decelerated, but is accelerated undisturbed in the direction of the upper and lower walls, whereby the cooling is improved.

4 zeigt schematisch und in einer Seitenansicht die Ölgalerie 3 mitsamt dem Einlasskanal 3b und dem Auslasskanal 3c gemäß einer sechsten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 und die in diesem Zusammenhang gemachten Ausführungen. 4th shows the oil gallery schematically and in a side view 3 including the inlet port 3b and the outlet duct 3c according to a sixth embodiment of the internal combustion engine. Only the differences to the one in 1 illustrated embodiment are discussed, which is why reference is otherwise made to 1 and the statements made in this context.

Der ringförmige Kanal 3a mit seiner spiralförmigen Windung des Querschnitts 4 ist entlang des mittleren Stromfadens abschnittsweise gestreckt und abschnittsweise gestaucht, so dass die lokale Steigung Spirale, d.h. der spiralförmigen Windung variiert.The annular canal 3a with its spiral turn of the cross section 4th is stretched in sections along the central stream filament and compressed in sections, so that the local pitch of the spiral, ie the spiral-shaped turn, varies.

In 4 ist eine deutlich unterschiedliche lokale Steigung der Spirale erkennbar. Dadurch wird die lokale horizontale Geschwindigkeit des Öls in Richtung Auslasskanal 3c verändert bzw. variiert, wodurch eine unterschiedliche Kühlung der Kolbenbereiche realisiert werden kann. Das Ziel ist eine homogenere bzw. homogene Temperaturverteilung im Kolben.In 4th a clearly different local slope of the spiral can be seen. This sets the local horizontal speed of the oil in the direction of the outlet port 3c changed or varied, whereby a different cooling of the piston areas can be realized. The goal is a more homogeneous or homogeneous temperature distribution in the flask.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ZylinderrohrCylinder tube
1a1a
ZylinderlängsachseCylinder longitudinal axis
33
ÖlgalerieOil gallery
3a3a
ringförmiger Kanal, Ringkanalannular channel, annular channel
3b3b
EinlasskanalInlet port
3c3c
AuslasskanalExhaust duct
44th
Querschnittcross-section
4a4a
MittelstückMiddle piece
4b4b
Zungetongue
55
mittlerer Stromfaden, Längsachse des Ringkanals middle stream filament, longitudinal axis of the ring canal
OTOT
oberer TotpunktTop Dead Center
UTUT
unterer Totpunktbottom dead center
ss
KolbenhubPiston stroke

Claims (17)

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 (1) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben 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 zur Ausbildung einer Ölkühlung mit einer im Kolbenboden integrierten Ölgalerie (3) ausgestattet ist, die einen ringförmigen Kanal (3a), einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Einlasskanal (3b) zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl und einen mit dem ringförmigen Kanal (3a) verbundenen Auslasskanal (3c) zum Abführen des Öls aus dem ringförmigen Kanal (3a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (3a) zumindest abschnittsweise einen Querschnitt (4) aufweist, der ein Mittelstück (4a) und mehrere Zungen (4b) umfasst, wobei die Zungen (4b) umfänglich und nach außen ausgerichtet angeordnet sind.Internal combustion engine with - at least one cylinder head with at least one cylinder, and - at least one cylinder block connected to the at least one cylinder head and serving as the upper crankcase half for receiving at least one piston, in which - each cylinder comprises a combustion chamber which is defined by a piston head of the piston belonging to the cylinder, a cylinder tube (1) and the at least one cylinder head is also formed, the piston being translationally displaceable along a cylinder longitudinal axis (1a) between a top dead center OT and a bottom dead center UT with the formation of a piston stroke s, and - each piston for the formation of an oil cooling system is equipped with an oil gallery (3) integrated in the piston crown, which has an annular channel (3a), an inlet channel (3b) connected to the annular channel (3a) for supplying the annular channel (3a) with oil and one with the annular channel ( 3a) connected outlet channel (3c) for discharging the oil s comprises the annular channel (3a), characterized in that the annular channel (3a) has, at least in sections, a cross-section (4) which comprises a central piece (4a) and several tongues (4b), the tongues (4b) circumferentially and are arranged facing outwards. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4b) umfänglich und radial nach außen ausgerichtet angeordnet sind.Internal combustion engine after Claim 1 , characterized in that the tongues (4b) are arranged circumferentially and oriented radially outwards. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4b) umfänglich regelmäßig angeordnet sind.Internal combustion engine after Claim 1 or 2 , characterized in that the tongues (4b) are arranged circumferentially regularly. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4b) umfänglich unregelmäßig angeordnet sind.Internal combustion engine after Claim 1 or 2 , characterized in that the tongues (4b) are arranged circumferentially irregularly. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zungen (4b) unterschiedlich groß sind und/oder eine unterschiedliche Form aufweisen.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that at least two tongues (4b) are of different sizes and / or have a different shape. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4b) von gleicher Form und gleichgroß sind.Internal combustion engine according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the tongues (4b) are of the same shape and size. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (4b) eine polygonale Form aufweist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one tongue (4b) has a polygonal shape. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (4b) eine dreieckige Form aufweist.Internal combustion engine according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that at least one tongue (4b) has a triangular shape. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (4b) eine runde Form aufweist.Internal combustion engine according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that at least one tongue (4b) has a round shape. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (4b) eine rechteckige Form aufweist.Internal combustion engine after Claim 7 , characterized in that at least one tongue (4b) has a rectangular shape. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (4b) trapezförmig ist.Internal combustion engine after Claim 7 , characterized in that at least one tongue (4b) is trapezoidal. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt (4) sich entlang des ringförmigen Kanals (3a) um einen mittleren Stromfaden (5) herum spiralförmig windet.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cross section (4) spirals along the annular channel (3a) around a central flow filament (5). Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (3a) mit der spiralförmigen Windung des Querschnitts (4) entlang des mittleren Stromfadens (5) abschnittsweise gestreckt oder gestaucht ist, so dass die lokale Steigung der spiralförmigen Windung variiert.Internal combustion engine after Claim 12 , characterized in that the annular channel (3a) with the spiral turn of the cross section (4) along the central flow filament (5) is stretched or compressed in sections, so that the local slope of the spiral turn varies. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (3a) auf dem äußersten Umfang keine Zungen aufweist und damit glatt ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the annular channel (3a) has no tongues on the outermost circumference and is therefore smooth. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (3a) zumindest abschnittsweise mäandert.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the annular channel (3a) meanders at least in sections. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des ringförmigen Kanals (3a) mit Öl eine hinsichtlich des Zylinderblocks ortsfest angeordnete Einspritzdüse vorgesehen ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that an injection nozzle which is arranged in a stationary manner with respect to the cylinder block is provided for supplying the annular channel (3a) with oil. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird, bei dem der Kolben schichtweise aufgebaut wird.Method for manufacturing a piston of an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston is manufactured using an additive manufacturing process in which the piston is built up in layers.
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