DE10220015A1 - Verfahren zum Einspritzen von Schmieröl in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Eine Pumpe (6) wird in regelmäßigen Zeitabständen zur Förderung einer dosierten Menge von Schmieröl in einen Leitungsraum (15) betätigt, welcher sich in einer Schmierleitung (4) befindet, die mit einem Düsenventil (3) verbunden ist, das bei einem Druck schließt, der niedriger ist als sein Öffnungsdruck. Das Schmieröl wird, während Schmieröl von der Pumpe in den Leitungsraum gefördert wird, vorübergehend unter fortschreitendem Druckaufbau im Leitungsraum (15) gespeichert. Das gespeicherte Schmieröl wird freigegeben durch Versprühen durch das Düsenventil (3), wenn der Schmieröldruck im Leitungsraum den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspritzen von Schmieröl in einen Zylinder eines Verbrennungsmotor, insbesondere eines Zweitakt-Kreuzkopf-Motors, wobei eine Pumpe in regelmäßigen Zeitabständen zur Förderung einer dosierten Menge Schmieröl in eine Schmierölleitung betätigt wird und die Schmierölleitung den Auslass der Pumpe mit einem an einer Schmierstelle angeordneten Düsenventil verbindet, und wobei das Düsenventil zum Einsprühen des Schmieröls in den Zylinder öffnet, sobald der Druck in der Schmierleitung einen vorgegebenen Öffnungsdruck übersteigt.

Ein solches Verfahren ist aus der WO 00/28194 bekannt, wobei die Düsenventile in einer Reihe entlang der Peripherie einer Zylinderlaufbuchse verteilt und die Düsen so gerichtet sind, dass sie Schmieröl in ein nahe der jeweiligen Düse liegendes Segment der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse einsprühen. Es wird eine große Anzahl von Düsen, z. B. zehn, benutzt, um eine Verteilung des Schmieröls über den gesamten Umkreis der Zylinderlaufbuchse zu erhalten.

In Bezug auf die Förderung des Schmieröls zur Düse besteht laut WO 00/28194 ein Problem darin, dass es aufgrund der Kompressibilität des Schmieröls in den Schmierleitungen schwierig ist, zeitbezogen eine vorschriftsmäßige Förderung des Schmieröls zu erhalten. Es wird als eine Bedingung zum Erhalt der beabsichtigten Versprühung des Schmieröls festgestellt, dass zum Zeitpunkt der Austragung des Öls dessen Druck, analog zu herkömmlichen Verfahren zur Kraftstoff­ einspritzung, den Öffnungsdruck des Öffnungsventils übersteigen muss. Bei der Kraftstoffeinspritzung wird gewöhnlich die Kraftstoffmenge so schnell und in solcher zweckmäßig großen Menge geliefert, dass der Druck in den Druckleitungen zwischen der Pumpe und der Düse den Öffnungsdruck zeitgerecht zum Einspritzbeginn der Düse übersteigt, um den Einspritzvorgang einzuleiten, wonach eine unterbrechungslose Förderung der Kraftstoffmenge von der Pumpe in den Zylinder während eines Zeitraums erfolgt, der 10-50mal länger sein kann als der Zeitraum, der für den Aufbau des Öffnungsdruckes erforderlich ist.

Das Versprühen von Schmieröl in einen Zylinder ist auch aus der japanischen Offenlegungsschrift 7-34837 von 1995 bekannt, gemäß der, wie bei einer Kraftstoffeinspritzung, Schmieröl durch Düsenventile eingespritzt wird, die im Zylinderkopf angeordnet sind. Die Schmierölpumpe ist in diesem Fall hubbezogen mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden, so dass bei jeder Kurbelwellenumdrehung Schmieröl durch Versprühen auf die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse gelangt.

Das dänische Patent 81275 von 1954 des Anmelders beschreibt ein Schmierölsystem, bei welchem die Schmierölförderung intermittierend im Verhältnis zur Drehzahl des Motors zu den Schmierstellen auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse zum Beispiel bei jeder, jeder zweiten oder jeder dritten Kurbelwellenumdrehung stattfindet. Um eine Zufuhr von Schmieröl zu den Schmierstellen zu erhalten, die zeitlich exakt im Verhältnis zu den Kolbenhüben stattfindet, ist ein gesteuertes Absperrventil in jeder Schmierleitung in unmittelbarer Nähe jeder einzelnen Schmierstelle angeordnet. Jedesmal, wenn ein Schmiervorgang an der Schmierstelle stattfinden soll, liefert die Schmierölpumpe eine genau dosierte Menge Schmieröl, welches bei niedrigem Druck von dem Absperrventil zurückgehalten wird, bis der Kolben der Schmierstelle gegenüberliegt. Danach wird im exakt richtigen Augenblick das Absperrventil betätigt und das Schmieröl wird freigegeben und tritt an der Schmierstelle aus, wo die Kolbenringe das Öl in Umfangsrichtung der Zylinderlaufbuchse verteilen können. Um einen Druckabfall im Schmieröl im Augenblick der Betätigung des Absperrventils zu vermeiden, kann eine geringe Speichermenge Öl in der Schmierleitung zurückgehalten werden, das mit Hilfe eines federbelasteten Kolbens mit Druck beaufschlagt wird. Bei bekannten Schmiersystemen dieser Art wird das Schmieröl auf einem Druck von einigen wenigen bar gehalten.

Im Gegensatz hierzu wird das Schmieröl in den vorher genannten Schmierölsystemen mit einem höheren Druck gefördert, welcher ein Versprühen des Schmieröls gestattet. Dieser höhere Druck führt auf der Förderseite eine Reihe von Nachteilen für das Schmieröl mit sich, unter anderem die Gefahr von leckbedingten Schwankungen bei der ge­ lieferten Schmierölmenge. Diese Nachteile verstärken sich, wenn eine größere Anzahl von Düsenventilen je Zylinder angeordnet ist, da der Inhalt in den Schmierleitungen dann im Verhältnis zu der Menge des ausgetragenen Schmieröls proportional größer ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren beizustellen, welches eine zuverlässige Zufuhr einer relativ geringen Menge Schmieröl bei einem hohen Druck gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Düsenventil bei einem Druck schließt, der niedriger ist als sein Öffnungsdruck, dass das Schmieröl von der Pumpe über ein Rückschlagventil in einen Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil gefördert und hierin während der Förderung der Pumpe in diesen Raum unter schrittweisem Druckaufbau vor­ übergehend gespeichert wird, und dass die gespeicherte Menge Schmieröl durch Versprühen durch das Düsenventil freigegeben wird, sobald der Schmieröldruck in dem Raum den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt.

Das Düsenventil ist für einen hohen Öffnungsdruck ausgelegt, und das von der Pumpe beigestellte Schmieröl kann in dem Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil bis auf diesen hohen Öffnungsdruck gebracht werden. Die Speicherung des Schmieröls in diesem Raum ist dadurch möglich, dass das Schmieröl eine gewisse Menge Luft enthält, welche komprimiert wird und einen Druckanstieg im Schmieröl bewirkt, während weiteres Schmieröl von dem Raum aufgenommen wird. Wenn die gespeicherte Menge Schmieröl so groß ist, dass der Druck im Öl den Öffnungsdruck des Düsenventil übersteigt, öffnet das Düsenventil und gestattet ein Versprühen des Schmieröls im Zylinder. Die Menge des während des Versprühvorgangs geförderten Schmieröls ist abhängig vom Schließdruck des Düsenventils, wobei ein niedrigerer Schließdruck eine größere Austragung von Schmieröl aus dem Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil bewirkt als ein höherer Schließdruck. Das Rückschlagventil hält den Raum am Ende des Fördervorgangs zuverlässig geschlossen, so dass das erforderliche Schmieröl zwangsläufig über das Düsenventil ausgebracht wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Schmieröl von der Pumpe in mehreren dosierten Teilmengen durch das Rückschlagventil in den Raum gefördert, indem der Druck im selben Maße nach und nach ansteigt wie die Schmierölteilmengen in den Raum gefördert werden, und wobei das Schmieröl durch das Düsenventil versprüht wird, wenn die zuletzt dem Raum zugeführte Teilmenge Schmieröl bewirkt, dass der Schmieröldruck in dem Raum den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt. Durch den Aufbau des erforderlichen Druckes mit Hilfe mehrerer Betätigungen der Schmierölpumpe ist es möglich, die Pumpe mit kleineren Abmessungen auszuführen und trotzdem die Gesamtmenge Schmieröl zu erhalten, die für einen vollständigen Versprühvorgang erforderlich ist. Die Pumpe weist somit kleinere Leck- Querschnittsflächen auf und ist demzufolge weniger empfindlich gegen leckbedingte Druckschwankungen. Das Rückschlagventil am Zufuhrende des Schmierölraumes in der Schmierleitung, in welchem sich das Schmieröl ansammelt, ist weitgehend leckfrei, und die vorübergehende Unterbrechung der Schmierölförderung zwischen zwei Betätigungen der Pumpe verursacht keine Probleme, da der Druck während langer Zeit bei hohem Überdruck im Inneren der Schmierleitung aufrecht erhalten werden kann. Der schrittweise Druckaufbau kann zum Beispiel während mehrerer oder vieler Umdrehungen der Motorkurbelwelle stattfinden, bevor das Düsenventil öffnet und die sich durch mehrere oder viele Pumpenhübe angesammelte Schmierölmenge durch Versprühen in den Zylinder freigibt.

Es ist möglich, eine Pumpe zu benutzen, die im Verhältnis zum Motorzyklus frei steuerbar arbeitet, zum Beispiel auf die Weise, dass die Pumpe während einer einzelnen Umdrehung der Motorkurbelwelle unmittelbar ein oder mehrere Male in schneller Folge betätigt wird, bevor ein Versprühen stattfindet, dem dann eine Pause folgt, aber vorzugsweise wird die Pumpe proportional der Umdrehung der Motorkurbelwelle betätigt, d. h. es erfolgt eine vorgegebene Anzahl von Betätigungen während einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen der Motorkurbelwelle. Bei einer derart proportionalen Betätigung wird die durchschnittliche Schmierölmenge je Zeiteinheit reduziert, wenn die Motorbelastung abfällt.

Die Pumpe wird zweckmäßigerweise 2 bis 30 mal und vorzugsweise höchstens 10 mal betätigt, bevor ein Sprühvorgang stattfindet. Die Pumpe muss dann nämlich nur einen geringen Teil der gesamten Schmierölmenge liefern. Bei mehr als 30 Betätigungen für die Förderung der erforderlichen Schmierölmenge wird keine Verbesserung der Leckverhältnisse mehr erzielt, und in der Regel ist es wünschenswert, die Anzahl der Betätigungen bei höchstens 10 mal zu halten.

Um die Anwendung einer relativ einfachen Pumpe zu gestatten, bewirkt jede einzelne von der Pumpe geförderte Teilmenge des Schmieröls einen Druckanstieg im Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil von zwischen 1 und 10 bar und vorzugsweise zwischen 2 und 5 bar. Da es sich um eine Förderung einer begrenzten Menge von Schmieröl in einen auf der Düsenseite geschlossenen Leitungsraum handelt, kann eine einfache Kolbenpumpe für die Förderung des Schmieröls auch dann eingesetzt werden, wenn der Druck im Raum recht hoch, zum Beispiel 60 bar oder höher, ist.

Die Förderbedingungen für das Schmieröl können abhängig von der Motorbelastung unterschiedlich sein. Zur Überwindung des Öffnungsdrucks muss die Pumpe bei Teillastbetrieb des Motors vorzugsweise öfter betätigt werden als bei Volllastbetrieb. Dadurch können bei Teillastbetrieb größere Leckmengen akzeptiert werden, und demzufolge kann die Pumpe mit größeren Toleranzen konstruiert werden und damit eine längere Lebensdauer erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft so weitergebildet werden, dass bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors eine größere Menge Schmieröl je kWh gefördert wird als P Prozent × Schmierölmenge je kWh bei Volllastbetrieb. Das Schmierölsystem kann auf diese Weise für automatische Veränderung der Schmierölmenge konstruiert werden, indem ein Düsenventil zur Anwendung kommt, dessen Öffnungsdruck mit sinkendem Zylinderdruck abfällt; dies geschieht unter Ausnutzung des Umstands, dass in jedem Augenblick des Verdichtungshubes der Motortaktfolge der Zylinderdruck bei Teillast niedriger ist als bei Vollast.

In der Absicht, die Anzahl Düsenventile in jedem einzelnen Zylinder zu begrenzen, öffnet jedes Düsenventil vorzugsweise bei einem Druck, der auf einen Bereich von 15 bis 40 bar über dem Zylinderdruck in der Phase der Motortaktfolge, wenn das Schmieröl im Zylinder versprüht wird, voreingestellt wird. Dieser Überdruck kann ein wirksames Versprühen des Schmieröls ergeben, und insbesondere, wenn der Druck im Bereich 30 bis 40 bar liegt, ist die Versprühung so effizient, dass das Schmieröl angemessen weit in den Zylinderraum eingespritzt werden kann, wodurch Schmieröl angemessen gleichmäßig über ein vorzugsweise großes Segment der inneren Fläche der Zylinderlaufbuchse verteilt werden kann.

Während der Öffnungsdruck des Düsenventils die Intensität des Versprühens des Schmieröls steuert, können die Häufigkeit des Versprühvorgangs und damit auch die Schmierölmenge je Versprühvorgang durch den Schließdruck des Düsenventils gesteuert werden.

Obwohl der der Versprühung entgegenwirkende Druck mit zunehmendem Zylinderdruck ansteigt, öffnet das Düsenventil vorzugsweise zu einem Zeitpunkt, wenn der Zylinderdruck höher als 40 Prozent des höchsten Kompressionsdrucks im Verbrennungsmotor ist. Das Schmieröl kann vorzugsweise auf den oberen Teil der Lauffläche der Kolbenringe in der Zylinderlaufbuchse gesprüht werden, da hier der Werkstoff der Zylinderlaufbuchse der größten Beanspruchung ausgesetzt ist. Eine Durchführung des Versprühens von Schmieröl auf der Lauffläche relativ spät während des Aufwärtshubs des Kolbens verkürzt den Zeitraum zwischen dem Versprühen des Schmieröls und der Bewegung der Kolbenringe über die soeben geschmierte Lauffläche. Dies trägt dazu bei, das Schmieröl im oberen Bereich der Zylinderlaufbuchse zu halten, wo der größte Schmierbedarf besteht.

Um eine geeignete Schmierung bei Teillastbetrieb zu erhalten und einen Ausgleich für Leckverluste beim Pumpen des Schmieröls zu erzielen, kann die zu fördernde Teilmenge der Pumpe einstellbar sein. Die zu fördernde Teilmenge kann zweckmäßigerweise erhöht werden, wenn der Motor im Teillastbetrieb arbeitet, wodurch es bei einem Motor mit niedrigerer Drehzahl bei Teillast möglich wird, in den Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil die gleiche Menge Schmieröl bei Teillast wie bei Vollast zu fördern, unabhängig davon, dass bei Teillast und der bedingt durch die längere Förderdauer für die Teilmenge die Leckmenge größer wird.

Bei einer anderen Ausführungsform wird bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors im Durchschnitt je Umdrehung der Motorkurbelwelle eine kleinere Menge Schmieröl in den Zylinder eingesprüht als P Prozent der im Zylinder versprühten Menge Schmieröl bei Vollast im Durchschnitt je Umdrehung der Motorkurbelwelle. Zusätzlich zu einer fein verteilten und effizienten Versprühung des Schmieröls infolge des Druckaufbaus im Raum zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil ergibt sich durch diese lastabhängige Einstellung der Schmierölmenge ein Kostenvorteil durch die Reduzierung des spezifischen Schmierölverbrauchs. Dank der effizienten Versprühung, die dadurch erhalten wird, dass vor dem Versprühen ein Druckaufbau stattfindet, und der geeignet großen Menge Schmieröl, die jeder Düse zugeführt wird, wird eine so gute Verteilung des Schmieröls auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse erhalten, dass das niedrigere Temperaturniveau auf der Innenfläche der Laufbuchse bei Teillast insofern ausgenutzt werden kann, als weniger Schmieröl aufgetragen wird. In dieser Hinsicht ist es nicht von ausschlaggebender Bedeutung, ob der Druckaufbau schrittweise durch mehrere Betätigungen einer relativ kleinen Pumpe oder durch konti­ nuierliche Arbeit einer größeren Pumpe erfolgt.

Bei einer weiteren Ausführungsform liefert die Pumpe eine größere Menge Schmieröl je kWh bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors als P Prozent der Schmierölmenge bei Vollast. Wie vorstehend bereits gesagt, ist die Versprühung vorzugsweise in Bezug auf die lastabhängige Dosierung des Schmieröls selbsteinstellend ausgeführt. Auch in dieser Hinsicht ist es nicht von ausschlaggebender Bedeutung, ob der Druckaufbau schrittweise durch mehrere Betätigungen einer relativ kleinen Pumpe oder durch kontinuierliche Arbeit einer größeren Pumpe erfolgt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, die sehr schematische Darstellungen enthält, näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Zylinder in Seitenansicht,

Fig. 2 einen einzelnen Zylinder mit vier Düsenventilen,

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein Zufuhrsystem für Zylinderschmieröl und

Fig. 4 bis 7 in Form von Diagrammen verschiedene Ablauffolgen von Schmiervorgängen.

Der Einfachheit halber werden in nachstehender Beschreibung bei den verschiedenen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen für Teile vom gleichen Typ benutzt.

Ein Verbrennungsmotor, z. B. ein Zweitakt-Kreuzkopfmotor vom Typ MC oder ein großer Viertaktmotor, mit einer Bohrung von mehr als 22 cm ist mit einem Zylinderschmiersystem ausgerüstet. Der Motor kann z. B. eine Anzahl von Zylindern im Bereich von vier bis zu 28 Zylindern aufweisen. Die Bohrung kann z. B. im Bereich von 22 bis 120 cm liegen und vorzugsweise von 60 bis 100 cm betragen. Jeder Zylinder 1 umfasst eine Zylinderlaufbuchse 2 mit einem Zylinderkopf und einen Kolben 8, welcher in der Laufbuchse läuft und mit den Kolbenringen 9 versehen ist, die entlang der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse auf ihrer Lauffläche 10 gleiten.

Zur Reduzierung des Verschleißes sowohl am Kolben als auch an den Kolbenringen als auch an der Zylinderlaufbuchse muss die Lauffläche mit Schmieröl geschmiert werden, was durch eine Anzahl von Düsenventilen 3 erfolgt, die entlang der Peripherie der Zylin­ derlaufbuchse angeordnet sind, und wobei jedes Düsenventil eine Ventilnadel 11 aufweist, welche durch Federbelastung an einen Ventilsitz 12 anstellbar ist. Ausgangsseitig ("stromabwärts") sind ein oder mehrere Sprühbohrungen 13 in den Richtungen gebohrt, in denen das Schmieröl während des Sprühvorgangs eingespritzt wird. Wenn das Düsenventil geschlossen ist, ist die Spitze 14 der Ventilnadel, welche radial im Ventilsitz angeordnet ist, durch den Druck im Zylinder am Düsenventil 3 beaufschlagt, der durch die Sprühbohrungen hindurch wirkt. Wenn das Düsenventil geöffnet ist, wird die größere Fläche der gesamten Spitze der Ventilnadel vom Druck im Zylinder beaufschlagt, was bedeutet, dass der Öffnungsdruck des Ventils höher ist als der Schließdruck.

Jedes Düsenventil 3 ist an eine Schmierleitung 4 angeschlossen, die über ein Rückschlagventil 5 mit einer Pumpe 6 verbunden ist, welche bei Betätigung eine dosierte Menge Schmieröl in einen zwischen dem Rückschlagventil 5 und dem Nadelventil 3 vorhandenen Leitungsraum 15 fördert. Das Schmieröl wird durch Leitungen 7 mit Vorpumpdruck an die einzelnen Pumpen 6 gefördert. Die Arbeitsweise des Schmier­ systems ist allgemein vorstehend beschrieben.

Ein Zweitaktmotor kann für Gleichstromspülung konstruiert sein, und dann wird die Spülluft durch Spülluftkanäle 16 am unteren Ende des Zylinders 1 eingeleitet, wobei sie auf bekannte Weise im Zylinder kreisförmig aufwärts strömt (Pfeil A in Fig. 2), während ein Auslassventil 17 im oberen Ende des Zylinders geöffnet ist sowie während des anschließenden Füllens des Zylinders.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind mehrere, in diesem Fall vier Düsenventile in Umfangsrichtung des Zylinders angeordnet. Eine gleichmäßige Verteilung der Düsenventile 3 in der Umfangsrichtung bietet den Vorteil, dass die Düsen von gleicher Konstruktion sein können, wobei jede das für die Schmierung des Zylinders vorgesehene Öl auf einen ähnlichen Bereich der Lauffläche verteilt. Die Düsenventile können auf zueinander unterschiedlicher Höhe im Zylinder oder wahlweise, auch im Zylinderkopf angeordnet sein. Die Anzahl der Düsenventile 3 im Zylinder richtet sich nach dem Zylinderdurchmesser, d. h. der Bohrung (B), wobei in der Regel eine Anzahl von B/ 10 ± 2 Ventile zweckmäßig ist, wobei B den Durchmesser der Bohrung in cm bezeichnet.

Vorzugsweise ist jedem Düsenventil eine Pumpe 6 zugeordnet. Typisch sind mehrere Pumpen in einem Schmiergerät zusammengefasst, welche bei einem kleinen Motor mehrere oder sämtliche Zylinder des Motors und bei einem großen Motor die Schmierstellen eines einzelnen Zylinders versorgen kann. Die Pumpenkolben können durch eine Nockenwelle betätigt werden, wobei die Nockenwelle entweder mechanischen Antrieb . hat oder von einem Elektromotor angetrieben wird. Die mechanisch angetriebene Nockenwelle kann über einen Kettenantrieb oder eine ähnliche Kraftübertragung zwischen der Nockenwelle und einer Antriebswelle des Motors angetrieben werden; bei Elektromotor-Antrieb der Nockenwelle kann eine elektronische Steuerung anhand einer drehzahlbezogenen Information vom Motor erfolgen. Vorzugsweise werden jedoch die Pumpenkolben von einer hydraulischen Vorrichtung betätigt, die ihre Steuersignale von einer Elektronik bezieht, z. B. einem sogenannten Alpha Lubricator aus der Herstellung des Anmelders. Es kann ein einzelner Pumpenkolben je Vorrichtung vorgesehen sein, vorzugsweise werden jedoch mehrere Pumpenkolben, die dem gleichen Zylinder zugeordnet sind, von einer einzelnen Vorrichtung gemeinsam betätigt.

Ein Beispiel eines solchen Schmiersystems zeigt Fig. 3, worin ein Behälter 18 Zylinder-Schmieröl enthält, welches mit Hilfe einer, hier nicht ausführlicher beschriebenen Heizvorrichtung 19 vorgewärmt werden kann. Anders als das übrige, in großen Verbrennungsmotoren verwendete Schmieröl wird das für die Zylinderschmierung verwendete Schmieröl nicht vor der Verwendung in einer Schmierölzentrifuge gereinigt. Als Zylinder-Schmieröl wird in der Regel ein hochdotiertes, säureneutralisierendes Öl mit einem Gehalt an Kalziumkarbonat verwendet, wobei letzteres in einer komplexen Bindung so in einem Partikel gekapselt ist, dass es im Öl schwebend gehalten wird. Beim Zentrifugieren würden diese Partikel aus dem Öl abgeschieden. Da kein Zentrifugiervorgang stattfindet, enthält das Zylinder-Schmieröl zwangsläufig feine Luftblasen.

Eine Vorfüllpumpe 20 fördert das Schmieröl durch einen Filter 21 in eine Zulaufleitung 22, von der eine Leitung 7 zur Betätigungsvorrichtung 25 abzweigt, wobei von den einem einzelnen Zylinder 1 zugeordneten Pumpen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. Ein Druckspeicher 23 ist an die Betätigungsvorrichtung mit den Pumpen angeschlossen um Druckschwankungen beim Füllen der Pumpen auszugleichen. Ein anderer Druckspeicher 24 dient zum Ausgleichen von Druckschwankungen in der Leitung 7. Die Pumpen 6 werden über ein Magnetventil 26 gesteuert, welches Steuersignale über ein Kabel von einer (nicht abgebildeten) Steuerelektronik bezieht. Ein Rückkopplungsgeber 27 liefert Informationen über den momentanen Betätigungszustand des Betätigungskolbens an die Steuerelektronik. Durch den Rücklaufabzweig 28 strömt überschüssiges Schmieröl zu einer Rücklaufleitung 29 und von dort weiter in den Ölbehälter 18. Ein Druckregler 30 regelt den Druck in der Zulaufleitung auf einen vorgegebenen Wert ein, der z. B. im Bereich von 1 bis 60 bar und typischerweise zwischen 7 und 20 bar liegt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann die Pumpe 6 als Kolbenpumpe ausgeführt sein, was den Vorteil mit sich bringt, dass die gelieferte Menge Schmieröl volumetrisch bei jedem Pumpenhub gemessen wird, und dies wird bei relativ niedrigem Druck der Vorfüllpumpe erzielt, bei dem jegliche geringfügige, in der Praxis auftretende Schwankungen beim Luftgehalt keinen nennenswerten Einfluss auf die Menge Schmieröl in dem in Rede stehenden Raum hat.

Bei jeder Betätigung dosiert die Pumpe 6 Zylinder-Schmieröl über das Rückschlagventil 5 in den Leitungsraum 15, welcher direkte Verbindung mit einer Druckkammer 31 im Düsenventil 3 hat. Wenn das Düsenventil geschlossen ist, wird die Druckkammer durch das Düsengehäuse, den Ventilsitz 12 und die durch eine Druckfeder 32 bis zum Anliegen gegen den Ventilsitz gedrückte Ventilnadel 11 begrenzt. Der Druck in der Druckkammer wirkt auf die exponierte Fläche der Ventilnadel in der Druckkammer mit einer entgegen der Federkraft wirkenden Öffnungskraft. Wenn durch eine oder mehrere von der Pumpe 6 geförderte Teilmengen eine so große Menge Schmieröl in die Druckkammer gelangt ist, dass der darin anstehende Druck auf die Ventilnadel mit einer Kraft wirkt, die größer ist als die Federkraft, wird die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben, und im gleichen Augenblick strömt unter Druck stehendes Schmieröl vorwärts zur Sprühbohrung bzw. zu den Sprühbohrungen und wird in den Zylinder eingesprüht. Wenn das Düsenventil geöffnet ist, wirkt der Druck in der Druckkammer 31 auf die Querschnittsfläche der gesamten Ventilnadel, in Schließstellung des Düsenventils dagegen wirkt der Druck nicht auf den mittleren Bereich, der durch den Ventilsitz abgesperrt ist. Bedingt durch die größere Querschnittsfläche bei der Öffnungsstellung kann ein Druck, der kleiner ist als der Öffnungsdruck in der Druckkammer 31 die von der Feder 32 bewirkte Druckkraft überwinden und die Ventilnadel in geöffneter Stellung halten. Die Ventilnadel geht nur dann in Schließstellung, also bis zum Anliegen am Ventilsitz 12, wenn der Druck in der Druckkammer unter den Schließdruck abgesunken ist, und dieser Schließdruck ist der Druck, bei dem die von der Feder 32 erzeugte Kraft den auf die volle Querschnittsfläche der Ventilnadel 11 wirkenden Druck des Schmieröls übersteigt.

Die Druckfeder 32 oder eine andere, eine auf die Ventilnadel 11 wirkende Schließkraft erzeugende Kraftquelle, wie z. B. der Hydraulikdruck in der Kammer 33 ist maßgeblich für den Öffnungsdruck des Düsenventils. Die Federkraft oder der Hydraulikdruck in der Kammer 33 kann einstellbar sein und eine Veränderung des Öffnungsdrucks entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors gestatten.

Die Länge der Schmierleitung 4 richtet sich nach dem Abstand zwischen der Pumpe 6 und dem Düsenventil 3. Typischerweise beträgt die Länge der Leitung zwischen 0,5 und 8 m, z. B. zwischen 3 und 5 m, und der Leitungsdurchmesser wird vorzugsweise so gewählt, dass der Raum im Inneren der Leitung ausreichend groß ist, um ein Verdichten des Zylinder-Schmieröls bis auf das Volumen zu gestatten, das für eine einzelne Betätigung des Düsenventil erforderlich ist. Die Schmierleitung 4 kann z. B. einen Innendurchmesser von 5 mm und eine Länge von 4 m zwischen dem Rückschlagventil 5 und dem Düsenventil 3 aufweisen, wobei sich dann ein Rohrvolumen von 31,4 cm³ ergibt. Versuche haben gezeigt, dass eine Fördermenge von rund 0,1 cm³ Zylinder-Schmieröl bei diesem Volumen zu einer Drucksteigerung um ca. 5 bar führt.

Wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird, wird der Druck im Leitungsraum 15 zuerst durch eine Folge von Pumpenbetätigungen bis zu einem Druckniveau erhöht, das dem Schließdruck Pc des Düsenventils entspricht, der beispielsweise im Bereich zwischen 40 und 150 bar und typischerweise zwischen 50 und 130 bar liegt. Diese große Anzahl von Pumpenbetätigungen kann vor dem Starten oder während des Hochfahrens des Motors durchgeführt werden. Bei fortgesetzter Förderung von Zylinder-Schmieröl durch die Pumpe 6 wird der Druck im Leitungsraum 15 zu einem Zeitpunkt den Öffnungsdruck Po des Düsenventils 3 überschreiten, wobei das Schmieröl eingespritzt wird, bis der Druck im Leitungsraum 15 unter den Schließdruck Pc abfällt. Die eingespritzte Menge Schmieröl ist somit abhängig von der Differenz zwischen den Öffnungs- und Schließdrücken des Düsenventils und der Größe des Leitungsraums 15. Gleichzeitig ist erkennbar, dass die eingespritzte Menge Schmieröl der Gesamtmenge Schmieröl entspricht, die von der Pumpe 6 zwischen zwei Betätigungen des Düsenventils 3 gefördert wird.

Aufgrund des hohen Preises für Zylinder-Schmieröl ist es von Vorteil, die Menge verbrauchten Schmieröls je vom Zylinder erzeugter kWh zu reduzieren. Um eine effiziente Schmierung im Verhältnis zur verbrauchten Menge Schmieröl zu erhalten, ist es wünschenswert, bei jeder Betätigung des Düsenventils eine geeignet große Menge Schmieröl einzuspritzen, so dass das Öl auf die optimale Weise auf die Lauffläche gelangt. Dies bedeutet, dass es erwünscht sein kann, dass nicht bei jeder Umdrehung der Motorkurbelwelle ein Schmiervorgang stattfindet, sondern eher nur einmal je einer Anzahl von Umdrehung der Motorkurbelwelle, wie bei jeder zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten oder achten etc. Umdrehung der Motorkurbelwelle.

In Fig. 4 ist eine Folge von Fördervorgängen dargestellt, bei denen die Pumpe 6 zum Beispiel einmal bei jeder Umdrehung der Motorkurbelwelle betätigt wird, da die Pumpe durch Nocken auf einer Nockenwelle betätigt wird und die Nockenwelle proportional zu den Umdrehungen der Nockenwelle des Motors angetrieben wird. Bei jeder Betätigung nimmt der Druck im Leitungsraum 15 schrittweise zu, bis der Druck bei der letzten Betätigung den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt, wonach das Einspritzen des Schmieröls in den Zylinder stattfindet, während der Druck im Leitungsraum schlagartig auf den Schließdruck Pc abfällt und ein neuer Zyklus mit einem Druckaufbau beginnt.

In Fig. 5 ist ein Fördervorgang dargestellt, bei dem die Pumpe 6 so ausgeführt ist, dass ihre Fördermenge im Wesentlichen der Fördermenge bei jedem Öffnen des Düsenventils 3 entspricht. Der Druck im Leitungsraum 15 entspricht somit dem Schließdruck Pc während der meisten Laufzeit des Motors, aber unmittelbar vor dem Einspritzen des Schmieröls wird die Pumpe 6 betätigt und liefert dann die Schmierölmenge, durch die der Druck im Leitungsraum den Öffnungsdruck Po überschreitet, wonach das Schmieröl eingespritzt wird.

Mit einer kleineren Pumpe 6 ist es möglich, einen geeignet großen Druckanstieg innerhalb des gleichen Motorzyklus zu erhalten, indem die Pumpe in schneller Folge mehrmals betätigt wird. Aus Fig. 6 ist der bei vier Betätigungen in schneller Folge erreichte Druckverlauf gezeigt, wobei die letzte Betätigung einen Anstieg des Druckes bis zum Über­ schreiten des Öffnungsdrucks des Düsenventils bewirkt. Hier ist deutlich der Vorteil erkennbar, den eine Pumpe 6 mit kleiner Leckfläche aufgrund der kleinen Pumpenabmessungen bei gleichzeitig ausreichend großer Fördermenge bei jeder Betätigung bietet.

Der Motor kann z. B. einen höchsten Verdichtungsdruck von 50 bis 140 bar und vorzugsweise im Bereich 75-125 bar aufweisen. Der Öffnungsdruck des Düsenventils muss für die Einspritzung des Schmieröls den im Zylinder im Bereich des Ventils vorhandenen Druck um beispielsweise 15 bis 150 bar und vorzugsweise um 30 bis 70 bar überschreiten. Dieser Überdruck ist voll und ganz abhängig von den Eigenschaften der Einspritzung. Wenn beim Einspritzvorgang ein aus sehr kleinen Schmierölpartikeln bestehender Ölnebel fein verteilt werden soll, muss der Überdruck relativ hoch sein, damit die feine Versprühung erzielt wird. Sollen statt dessen bei der Einspritzung größere Tropfen oder konsistentere Strahlen oder fächerförmige Strahlen von Schmieröl eingebracht werden, was durch Einspritzen in die sich in Rotationsbewegung befindliche Luft im Zylinder mit guter Durchdringung und zuverlässiger Auftragung auf der Lauffläche über eine relativ große Entfernung vom Düsenventil geschehen kann, muss der Überdruck nicht so hoch sein. Die Einspritzung von großen Tropfen oder konsistenteren oder fächerförmigen Strahlen von Schmieröl stellt mit großer Wahrscheinlichkeit die vorteilhafteste Verteilungsform für das Zylinder-Schmieröl dar, da große Tropfen infolge ihrer größeren Masse weniger von den Bewegungen der Zylindergase abhängig und weniger empfindlich gegen Variationen dieser Bewegungen sind. Die Düsengeometrie kann so gewählt werden, dass die gewünschte Art der Einspritzung erzielt wird, da beispielsweise mit einem größeren Durchmesser der Sprühbohrung oder der Sprühbohrungen größere Tropfengrößen bei gleichem Überdruck erzielt werden, und die Richtungen der Bohrungen maßgeblich für die Richtung sind, in die das Schmieröl eingespritzt wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Ausgabe von Schmieröl durch das Düsenventil bei sehr hohem Druck als Versprühen bezeichnet, wobei das Zylinder-Schmieröl in Form eines fein verteilten Partikelnebels, als größere Tropfen oder als düsen- oder fächerförmiger Strahl oder durch sphärische Einspritzung von Schmieröl eingespritzt werden kann.

Der Öffnungsdruck Po ist abhängig von der Einbauposition des Düsenventils in der Höhenrichtung des Zylinders. Dies erklärt sich dadurch, dass der Verdichtungsdruck im Zylinder während des Aufwärtshubes des Kolbens ansteigt. Je höher im Zylinder das Düsenventil angeordnet ist, desto höher muss der Öffnungsdruck des Ventils sein, um den gleichen Überdruck zur Einspritzung bevor sich der Kolben bei seinem Aufwärtshub am Düsenventil vorbei bewegt zu erhalten.

Ist das Düsenventil dagegen in der unteren Hälfte des Zylinders angeordnet, ist der Öffnungsdruck weitgehend unbeeinflusst vom Verdichtungsdruck. Wenn, im Gegensatz hierzu, das Düsenventil hoch oben oder im Zylinderkopf platziert ist, wird der veränderliche Verdichtungsdruck den Öffnungsdruck des Düsenventils dadurch beeinflussen, dass der Verdichtungsdruck in die Sprühbohrungen eindringt und auf die innerhalb des Ventilsitzes liegende Fläche der Ventilnadel mit einer Kraft wirkt, die in der Öffnungsrichtung gerichtet ist.

Hierdurch kann der Verdichtungsdruck den Auslösefaktor für die Einspritzung darstellen, was aus Fig. 7 hervorgeht. Die obere, gestrichelte Linie zeigt die Veränderungen beim Öffnungsdruck Po während des Motorzyklusses, und die treppenförmige durchgezogene Linie entspricht dem Druckanstieg im Leitungsraum 15 infolge der Zufuhr von Schmieröl durch die Pumpe 6. In der Zeichnung ist erkennbar, wie der Druck im Leitungsraum 15 schrittweise bis auf ein Niveau gesteigert wird, das höher ist als der niedrigste Öffnungsdruck Po, welcher sicherstellt, dass die Einspritzung von Schmieröl stattfindet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.

Die Schmierleitungen 4 lassen sich einfach mit solchem Rohrdurchmesser ausführen, dass ein geeigneter Leitungsraum 15 entsteht. Wenn kurze Rohre angestrebt sind, besteht natürlich die Möglichkeit den Rohren einen separaten, ergänzenden Raum zuzuordnen, der vorzugsweise als feste Kammer ausgeführt ist, die mit dem Rohr verbunden ist, oder als örtliche Ausweitung des Rohres.

Der Schließdruck Pc des Düsenventils liegt zweckmäßig im Bereich von 50 bis 96 Prozent und vorzugsweise bei 75 bis 95 Prozent des Öffnungsdrucks Po. Ein niedrigerer Schließdruck ergibt größere Förderteilmengen mit längeren Zeitabständen zwischen den Betätigungen des Düsenventils und umgekehrt.

Die Düsenventile gestatten eine wirksame Richtungsvorgabe der Schmieröleinspritzung, was eine Reihe von Förderungsmöglichkeiten im Verhältnis zur konventionellen Förderung von Schmieröl in eine Schmierölnut in der Innenfläche des Zylinders mit geringem Sickerdruck bietet. Es ist möglich, die Düsenventile auf einer Höhe unmittelbar oberhalb der Spülluftkanäle 16 anzuordnen und aufwärts in den Zylinder spritzen zu lassen, wodurch die Einspritzung bei niedrigem Druck und unabhängig davon erfolgen kann, ob die Einspritzung erfolgt, bevor oder nachdem sich der Kolben während des Verdichtungshubes an den Düsenventilen vorbei bewegt hat.

Die Düsenventile 3 können auch auf größerer Höhe im Zylinder angeordnet werden, zum Beispiel ungefähr in der Mitte der Lauffläche, und die Strahlen des Schmieröls können dann in der Zylinderlaufbuchse gegen die Mitte oder aufwärts oder abwärts gegen einen höher oder tiefer gelegenen Bereich der Lauffläche gerichtet werden.

Auch besteht die Möglichkeit, die Düsenventile 3 im oberen Teil der Zylinderlaufbuchse anzuordnen, wo sie das Schmieröl auf die Lauffläche spritzen können, bevor sich der Kolben an den Düsenventilen vorbei bewegt.

Dank der Möglichkeit der gerichteten Einspritzung von Zylinder- Schmieröl besteht Freiheit bei der Anpassung der Schmierölfördermenge an den gegenwärtigen Bedarf des Zylinders. Auch wenn in der Zylinderwand Durchgangslöcher für den Einbau der Düsenventile auf einer bestimmten Höhe angeordnet sind, lässt sich die Förderung des Schmieröls zur Lauffläche verändern, indem die Ventile verdreht werden und dadurch das Schmieröl in andere Richtungen, z. B. mehr auf- oder abwärts, spritzen.

Details der genannten Ausführungsformen können mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden, ohne den Schutzbereich der nachstehenden Patentansprüche zu verlassen. Auch kann eine größere Anzahl von Einspritzfolgen des Zylinder-Schmieröls in einen Zylinder während eines Arbeitstakts des Motors stattfinden. Darüber hinaus lassen sich die Einspritzfolgen in Abhängigkeit von den Betriebsverhältnissen des Motors variieren, was zum Beispiel von einer Variation der geförderten Schmierölmengen entsprechend der Motorbelastungen her oder davon, dass bei Lastwechseln vorübergehend ein höherer Schmierbedarf vorliegt, bekannt ist.

Claims (14)

1. Verfahren zur Einspritzung von Schmieröl in einen Zylinder (1) eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Zweitakt- Kreuzkopfmotors, bei dem eine Pumpe (6) in regelmäßigen Zeitabständen zur Förderung einer dosierten Teilmenge von Schmieröl in eine Schmierleitung (4) betätigt wird und die Schmierleitung einen Ausgang der Pumpe mit einem an einer Schmierstelle angeordneten Düsenventil (3) verbindet, wobei das Düsenventil zum Einsprühen des Schmieröls in den Zylinder öffnet, wenn der Druck in der Schmierleitung einen vorgegebenen Öffnungsdruck übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenventil (3) bei einem Druck schließt, der niedriger ist als sein Öffnungsdruck, dass das Schmieröl von der Pumpe (6) über ein Rückschlagventil (5) in einen Raum (15) zwischen dem Rückschlagventil und dem Düsenventil gefördert und hierin während der Förderung der Pumpe (6) in diesen Raum (15) unter fortschreitendem Druckaufbau vorübergehend gespeichert wird und dass die gespeicherte Menge Schmieröl freigegeben wird, indem sie durch das Düsenventil (3) versprüht wird, sobald der Schmieröldruck im Raum (15) den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmieröl von der Pumpe (6) in mehreren dosierten Teilmengen über das Rückschlagventil (5) in den Raum (15) gefördert wird, in welchem Leitungsraum der Druck mit zunehmender Anzahl ge­ förderter Teilmengen schrittweise ansteigt, und dass das Schmieröl durch das Düsenventil (3) versprüht wird, wenn die zuletzt geförderte Teilmenge bewirkt, dass der Schmieröldruck im Raum (15) den Öffnungsdruck des Düsenventils übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6) im Verhältnis zur Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors betätigt wird, zum Beispiel eine vorgegebene Anzahl mal während einer vorgegebenen Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6) von 2 bis 30 mal je Schmieröl- Versprühvorgang, vorzugsweise höchstens 10 mal, betätigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Teilmenge Schmieröl von der Pumpe (6) im Raum (15) zwischen dem Rückschlagventil (5) und dem Düsenventil (3) einen Druckanstieg um 1 bis 10 bar, vorzugsweise um 2 bis 5 bar, bewirkt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwindung des Öffnungsdrucks die Pumpe (6) öfter betätigt werden muss, wenn der Verbrennungsmotor im Teillastbetrieb arbeitet, als bei Vollast.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors eine größere Menge Schmieröl je kWh gefördert wird als P Prozent × Schmierölmenge je kWh bei Vollast.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenventil bei einem Druck öffnet, der um 15 bis 40 bar über dem Zylinderdruck zu dem Zeitpunkt des Maschinentakts liegt, zu dem das Schmieröl in den Zylinder (1) versprüht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenventil (3) zu einem Zeitpunkt öffnet, zu dem der Zylinderdruck um mehr als 40 Prozent höher ist als der höchste Verdichtungsdruck des Verbrennungsmotor.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Schmierölpumpe (6) gelieferte Teilmenge einstellbar ist und entsprechend erhöht wird, wenn der Motor im Teillastbetrieb arbeitet.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors eine geringere Menge Schmieröl in den Zylinder (1) versprüht wird als P Prozent × Schmierölmenge, die im Durchschnitt je Kurbelwellenumdrehung bei Vollast in den Zylinder eingespritzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Teillast von P Prozent der Vollast des Verbrennungsmotors die Pumpe eine größere Teilmenge Schmieröl je kWh liefert als P Prozent × Schmierölmenge je kWh bei Vollast.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdruck des Düsenventils (3) einstellbar ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließdruck des Düsenventils (3) einstellbar ist.