DE19621894A1 - Brennkraftmaschine mit Kolbenkühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelge­ häuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar in Lagerschalen gelagert ist, die in von Lagerstühlen und Lagerdeckeln gebildeten Öffnungen fest­ gelegt sind, wobei an der Kurbelwelle zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder bewegbaren Kolben trägt, wobei entweder eine Kolbenspritzdüse vorgesehen ist, die in eine in einem Lagerstuhl im Lagerbohrungsbereich eingearbeitete und mit einer Hauptölbohrung verbundene Aufnahmebohrung eingesetzt ist, und wobei die Aufnahmebohrung in einen Zylinder mündet oder wobei allgemein eine Kolbenspritzöffnung vorgesehen ist, die mit einer Hauptölbohrung verbunden ist.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-GM 93 13 885.7 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist schon eine wirksame Kol­ benkühlung in der Form auf, daß Öl aus Kolbenspritzdüsen an die Unterseite des Kolbens gespritzt wird. Dabei sind ein oder zwei Kol­ benspritzdüsen in dem Lagerstuhl zwischen benachbarten Zylindern angeordnet. Eine derartige Kolbenkühlung ist für eine bestimmte Lei­ stungsabgabe der Brennkraftmaschine voll ausreichend. Soll aber nun - was gegebenenfalls aufgrund der sonstigen thermischen und mechanischen Eigenschaften der Brennkraftmaschine durchaus mög­ lich ist - die Leistung der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden, ist eine intensivere Kühlung des Kolbens unumgänglich. Dies ge­ schieht in herkömmlicher Art und Weise dadurch, daß die Kolben durch sogenannte Kühlkanalkolben ersetzt werden und das Kurbel­ gehäuse in der Form umkonstruiert wird, daß in das Kurbelgehäuse eine zusätzliche Ölverteilleitung eingearbeitet wird, an der je Zylinder eine sogenannte Hakendüse angeschlossen wird. Diese Hakendüse ragt beispielsweise von einer Seitenwand bis in einen Bereich neben einem Pleuel senkrecht unterhalb den Kolben und weist einen Austritt auf, der genau parallel zu der Zylindermittelachse auf einen bestimm­ ten Punkt der Kolbenunterseite ausgerichtet ist. In diesen Punkt ist eine Öffnung in die Kolbenunterseite eingelassen, die mit dem Kühl­ kanal im Kolben verbunden ist. Somit gelangt über den gesamten Kolbenhub ununterbrochen Kühlöl in den Kühlkanal. Insgesamt ist also insbesondere durch die notwendige Umkonstruktion des Kurbel­ gehäuses eine ansonsten durchaus mögliche weitere Leistungser­ höhung einer derartigen Brennkraftmaschine nur unter großem Auf­ wand durch eine Umkonstruktion des Kurbelgehäuses möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der mit einfachen Mitteln die Leistungsabgabe über den von einer normalen Kolbenspritzkühlung abhängigen hin­ ausgehenden Bereich erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß einmal dadurch gelöst, daß der Kolben als Kühlkanalkolben ausgebildet ist und die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritzdüse aus­ tretenden Ölstrahl ausgebildet ist. Ausgehend von einer bereits ge­ bauten Brennkraftmaschinenversion braucht bei dieser Lösung zu einer erhöhten Leistungsabgabe nur der bzw. die Kolben gegen die erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben ausgetauscht werden. Durch die dadurch erreichbare intensivere Kühlung der Brennkraftmaschine kann beispielsweise bei einer 4-zylindrigen Brennkraftmaschine die Motorleistung von 51,5 kW auf 59 kW erhöht werden. Diese Erhöhung hätte bei einer konventionellen Auslegung des Kühlsystems eine komplette Umkonstruktion des Kurbelgehäuses mit den in der Be­ schreibungseinleitung aufgeführten konstruktiven Umgestaltungen geführt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist aber nun der Kolben derart als Kühlkanalkolben ausgebildet, daß die Eintrittsöff­ nung in den Kühlkanal als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritz­ düse austretenden Ölstrahl ausgebildet ist. Dieser Fangtrichter er­ möglicht es, den Ölstrahl zumindest über einen weiten Bereich des Kolbenhubs aufzufangen. Dabei ist der Fangtrichter in jedem Falle so gelegt, daß bei der Bewegung des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes der Kühlkanal mit Öl beschickt wird.

Alternativ oder in Ergänzung zu der ersten Lösung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß daß der Kolben als Kühlkanalkolben ausgebildet ist, daß die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal als Ölzulauföffnung für den aus der Kolbenspritzöffnung austretenden Ölstrahl ausgebildet ist, und daß die Kolbenspritzöffnung auf dem der Kolbenunterseite zugewandten Endbereich des Pleuels angeordnet ist. Da das Pleuel zur Schmierölversorgung des Kolbenbolzens überwiegend ohnehin mit einer Ölbohrung versehen ist, bedeutet es nur einen geringen Mehraufwand, diese Ölbohrung bis in den Endbereich des Pleuels weiterzuführen. Hierbei ist dann nur noch eine Anpassung des Ölsystems an die erforderlichen Durchflußmengen erforderlich. Diese Lösung bietet die Vorteile, daß der Ölstrahl ohne gegebenenfalls im Weg befindliche Bauteile - bei Verwendung einer Kolbenspritzdüse ist dies oft der Fall - in den Kühlkanal geleitet wird und es wird als Bauteil die Kolbenspritzdüse eingespart.

In Weiterbildung der Erfindung nach der ersten Lösung ist in benach­ barten Lagerstühlen zumindest je eine auf einen Zylinder ausgerich­ tete Aufnahmebohrung eingearbeitet. Somit sind bei der Minimalaus­ legung beispielsweise für eine 4-zylindrige Brennkraftmaschine ent­ sprechend vier Aufnahmebohrungen notwendig. Im Rahmen der Er­ findung ist es aber insbesondere vorgesehen, je Zylinder zwei Auf­ nahmebohrungen in die einem Zylinder zugeordneten, benachbarten Lagerstühle einzulassen. Durch diese Ausbildung wird die Kühllei­ stung erheblich erhöht, wobei aber der bauliche Aufwand sehr gering ist und im wesentlichen nur in der Anbringung einer zusätzlichen Boh­ rung in dem Lagerstuhl besteht. Dabei sind dann die entsprechenden Aufnahmebohrungen je Zylinder unterschiedlich ausgerichtet, so daß die auf die Kolbenunterseite auftreffenden Ölstrahlen an unter­ schiedlichen Stellen auf den Kolbenboden auftreffen.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fangtrichter als Langloch aus­ gebildet. Damit kann zumindest über einen weiten Bereich des Kol­ benhubes zwischen dem unteren Totpunkt (UT) und dem oberen Tot­ punkt (OT) der aus der Kolbenspritzdüse austretende Ölstrahl aufge­ fangen werden und in den Kühlkanal eingeleitet werden. Dieser Auf­ trittspunkt des Ölstrahls liegt infolge der Schräglage der Düse in einer Ebene an der Kolbenunterseite, wobei diese Ebene durch das Lang­ loch zumindest weitgehend abgedeckt wird. Sofern während des Kol­ benhubs keine anderen Bauteile, insbesondere das Pleuel, den Öl­ strahl ablenken, kann somit durch die erfindungsgemäße Ausgestal­ tung während des gesamten Kolbenhubs der Ölstrahl aufgefangen werden. Dabei kann es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung selbstverständlich auch vorgesehen sein, daß das Langloch nur eine solche Länge aufweist und so im Bezug zu der Kolbenspritzdüse ausgerichtet ist, daß während eines Teilabschnittes des Bewegungs­ hubes des Kolbens der Ölstrahl in das Langloch eintritt. Durch diese Ausbildung kann ganz gezielt eine interne und eine externe Kolben­ kühlung erreicht werden.

In Weiterbildung der Erfindung sind zwei Fangtrichter auf gegenüber­ liegenden Seiten in den Kolben eingearbeitet. Dabei dienen dann diese gegenüberliegenden Langlöcher sowohl als Zulauf als auch als Ablauf für das in den Kühlkanal des Kolbens befindliche Kühlöl. Dabei ist es dann insbesondere vorgesehen, daß jeder der beiden in den Kühlkanal eintretenden Ölstrahle in einen eigenen Kühlkanal geleitet wird, der entlang einer Kolbenbodenseite über angenähert einen Halbkreisbereich von 180° führt. Dabei sind dann die beiden Lang­ löcher vorteilhaft so ausgebildet, daß der Eintritt und der Austritt der beiden Kühlölstrahle ungehindert voneinander erfolgt. Gegebenen­ falls kann beispielsweise in der UT-Stellung des Kolbens das ab­ laufende Kühlöl durch den hochspritzenden Kühlölstrahl am Ablaufen geringfügig gehindert werden, wodurch sich dann der Ringkanal des Kolbens durch den kurzzeitigen Ölrückstau füllt. Dies kann dann den Vorteil haben, daß durch das längerverbleibende Kühlöl eine höhere Wärmetransportleistung ermöglicht wird.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Fangtrichter so in Bezug zu den Kolbenspritzdüsen ausgerichtet, daß über einen ersten Teilab­ schnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl aus der ersten Kolben­ spritzdüse; über einen weiteren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl aus der zweiten Kolbenspritzdüse und über einen weite­ ren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl aus beiden Kol­ benspritzdüsen in die Fangtrichter eintritt. Durch diese Ausbildung kann eine ganz gezielte mengenmäßige Beschickung der Kühlkanäle mit Kühlöl erfolgen, indem beispielsweise im Bereich des unteren Totpunktes abwechselnd die beiden Hälften mit Kühlöl beschickt wer­ den, während im Bereich des oberen Totpunktes additiv die beiden Hälften mit Kühlöl beschickt werden. Dadurch kann gezielt entspre­ chend den Erfordernissen hinsichtlich des Anfalls der maximalen Temperaturen eine gesteuerte Wärmeabführung erfolgen.

In Weiterbildung der Erfindung wird einer der aus den jeweils in die Aufnahmebohrungen eingesetzten Kolbenspritzdüsen austretende Ölstrahl an die Kolbenunterseite gespritzt. Durch diese Aufteilung erfolgt dann ganz gezielt eine interne und externe Kühlung des Kol­ bens, wobei dann wieder ergänzend insbesondere im Bereich des unteren Totpunktes vorgesehen sein kann, daß in diesem Bereich der Fangtrichter nicht von dem zugeordneten Ölstrahl getroffen wird, so daß in diesem Bereich nur eine externe Kühlung erfolgt.

In Weiterbildung der zweiten Lösung ist die Ölzulauföffnung als Langloch ausgebildet. Dadurch werden im Prinzip die gleichen Vor­ teile wie durch die Ausbildung des Fangtrichters als Langloch er­ reicht.

Dabei ist in Weiterbildung vorgesehen, daß das Langloch eine solche Länge aufweist und so in Bezug zu der Kolbenspritzöffnung ausge­ richtet ist, daß zumindest während eines Teilabschnittes des Bewe­ gungshubes des Kolbens der Ölstrahl in das Langloch eintritt. Durch diese Ausbildung kann mit geringem Aufwand eine Aufteilung der ge­ samten Ölmenge in eine interne und eine externe Kühlmenge für die Kolbenkühlung erreicht werden. Wie eingangs bereits ausgeführt wurde, kann auch eine Kombination der beiden Lösungen für eine besonders intensive und gezielte Kühlung des Kolbens angewendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeich­ nungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestal­ tete Brennkraftmaschine mit Kolbenspritzdüsen,

Fig. 2 einen Schnitt durch zwei einem Zylinder zugeordnete und benachbarte Lagerbereiche

Fig. 3 eine Ansicht einer Kolbenunterseite eines erfindungsge­ mäß ausgestalteten Kolbens,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Variante der erfindungsgemäß ausgestalteten Brennkraftmaschine mit Kolbenspritzöffnungen in den Pleueln,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Kolben und

Fig. 6 eine Ansicht der Kolbenunterseite.

Die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 weist ein Kurbelgehäuse 1 auf, das im unteren Bereich Lagerstühle 2 aufweist. In diese Lagerstühle 2 wird unter Zwischenfügung von Lagerschalen eine Kurbelwelle ein­ gelegt und mittels Hauptlagerdeckeln 3 mit den Lagerstühlen 2 ver­ bunden. Das Kurbelgehäuse 1 weist weiterhin einen umlaufenden Flansch 4 auf, an dem eine Ölwanne festgeschraubt wird. Gegen­ überliegend dem Flansch 4 ist an das Kurbelgehäuse 1 eine Anzahl von Zylindern 5 angeformt, wobei die Zylinder 5 eine einstückig mit dem Kurbelgehäuse 1 ausgebildete Zylinderlaufbüchse 6 aufweisen. In dieser Zylinderlaufbüchse 6 gleitet ein Kolben 7 zwischen einer dargestellten OT-Stellung 8a und einer ebenfalls dargestellten UT- Stellung 8b hin und her. Dabei ist der Kolben 7 über ein Pleuel an ei­ nem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angelenkt. Weiterhin weist das Kurbelgehäuse 1 seitliche Auskragungen 9 auf, wobei im Fußbereich der Auskragung 9 eine Bohrung 10 zur Aufnahme einer Nockenwelle angeordnet ist. Die Auskragung 9 weist eine Anzahl von Öffnungen 11 auf, in die Einspritzpumpenelemente einsetzbar sind. Diese Ein­ spritzpumpenelemente gleiten mit einem Rollenstößel auf einem Pumpennocken der Nockenwelle ab und fördern Kraftstoff über Kraftstoffleitungen in die in den Zylinderkopf eingebaute Kraftstoffein­ spritzventile.

In Fig. 1 sind weiterhin zwei Ölstrahle 12a, 12b zur Kolbenkühlung eingezeichnet. Diese beiden Ölstrahle 12a, 12b stellen den Weg des aus zwei Kolbenspritzdüsen austretenden Öls dar, die in Aufnahme­ bohrungen 13a und - nicht dargestellt - 13b eingesetzt sind (s. auch Fig. 2). Diese Aufnahmebohrungen 13a und 13b sind in die Lager­ stühle 2 des Kurbelgehäuses eingelassen. Wie insbesondere der Fig. 1 zu entnehmen ist, sind die beiden Ölstrahle 12a, 12b so ausge­ richtet, daß sie auf gegenüberliegenden Seiten auf die Kolbenunter­ seite 14 des Kolbens 7 auftreffen.

Hierzu ist Fig. 3 ergänzend zu entnehmen, daß in die Kolbenunter­ seite 14 im Bereich der Kolbenbolzenachse 15 Langlöcher 16a, 16b eingelassen sind, die mit einem in den Kolben eingelassenen Kühlka­ nal 17 verbunden sind. Dabei teilen die beiden Langlöcher 16a, 16b den Kühlkanal 17 in zwei Teilkanäle auf, so daß das jeweils in ein Langloch 16a, 16b eintretende Kühlöl einen Teilkanal des Kühlkanals 17 mit Kühlöl versorgt. Damit bildet jedes der beiden Langlöcher 16a, 16b für einen Kühlölstrahl den Eintritt und gleichzeitig für den in dem gegenüberliegenden Langloch eingetretenen Kühlölstrahl den Aus­ tritt.

In Fig. 4 ist prinzipell die gleiche Brennkraftmaschine wie in Fig. 1 dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel in das Pleuel 18 eine Ölbohrung 19 eingearbeitet ist. Diese Ölbohrung 19 dient zu­ nächst zur Versorgung des Kolbenbolzens 20 mit Schmieröl. Darüber hinaus ist aber in diesem Ausführungsbeispiel die Ölbohrung 19 bis in eine Kolbenspritzöffnung 21 auf dem der Kolbenunterseite 14 zuge­ wandten Endbereich des Pleuels 18 weitergeführt. Die Kolbenspritzöffnung 21 wirkt über den gesamten Schwenkbereich des Pleuels - in Fig. 4 sind die beiden Extremstellungen des Pleuels 18 eingezeichnet - immer mit einer Ölzulauföffnung 22 zusammen. Die Ausbildung der Ölzulauföffnung 22 ist als Langloch 16c in Fig. 6 genauer dargestellt, wobei das durch die Ölzulauföffnung 22 in den Kühlkanal des Kolbens 7 eintretende Öl auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Abflußöffnung 23 wieder aus dem Kühlkanal austreten kann. Die Ölzulauföffnung 22 und die Abflußöffnung 23 dienen bei der Fertigung des Kolbens gleichzeitig als Salzkernstützen. Ergänzend zeigt die Fig. 5 die exzentrische Anordnung der Brennraummulde 24 in dem Kolben 7.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar in Lagerschalen gelagert ist, die in von Lager­ stühlen und Lagerdeckeln gebildeten Öffnungen festgelegt sind, wo­ bei an der Kurbelwelle zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder bewegbaren Kolben trägt, wobei eine Kolbenspritzdüse vorgesehen ist, die in eine in einem Lagerstuhl im Lagerbohrungsbereich eingearbeitete und mit einer Hauptölbohrung verbundene Aufnahmebohrung eingesetzt ist, und wobei die Aufnahmebohrung in einen Zylinder mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) als Kühlkanalkolben ausgebildet ist, und daß die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal (17) als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritzdüse austretenden Ölstrahl (12a, 12b) ausgebildet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in benachbarten Lagerstühlen (2) zu­ mindest je eine auf einen Zylinder (5) ausgerichtete Aufnahmeboh­ rung (13a, 13b) eingearbeitet ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangtrichter als Langloch (16a, 16b) ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Langloch (16a, 16b) eine solche Länge aufweist und so im Bezug zu der Kolbenspritzdüse ausgerich­ tet ist, daß zumindest während eines Teilabschnittes des Bewe­ gungshubes des Kolbens (7) der Ölstrahl (12a, 12b) in das Langloch (16a, 16b) eintritt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fangtrichter auf gegenüberlie­ genden Seiten in den Kolben (7) eingearbeitet sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangtrichter so in Bezug zu den Kolbenspritzdüsen ausgerichtet sind, daß über einen Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus der ersten Kolben­ spritzdüse, über einen weiteren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus der zweiten Kolbenspritzdüse und über einen weiteren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus beiden Kolbenspritzdüsen in die Fangtrichter eintritt.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der aus den in die Aufnahmeboh­ rungen eingesetzten Kolbenspritzdüsen austretende Ölstrahl (12a, 12b) an die Kolbenunterseite (14) gespritzt wird.

8. Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar in Lagerschalen gelagert ist, die in von Lager­ stühlen und Lagerdeckeln gebildeten Öffnungen festgelegt sind, wo­ bei an der Kurbelwelle zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder bewegbaren Kolben trägt, wobei eine Kolbenspritzöffnung vorgesehen ist, die mit einer Hauptölbohrung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) als Kühlkanalkolben ausgebildet ist, daß die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal (17) als Öl­ zulauföffnung (22) für den aus der Kolbenspritzöffnung (21) austre­ tenden Ölstrahl (12c) ausgebildet ist, und daß die Kolbenspritzöffnung (21) auf dem der Kolbenunterseite (14) zugewandten Endbe­ reich des Pleuels (18) angeordnet ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzulauföffnung (22) als Langloch (16c) ausgebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Langloch (16c) eine solche Länge aufweist und so im Bezug zu der Kolbenspritzöffnung (21) ausgerich­ tet ist, daß zumindest während eines Teilabschnittes des Bewe­ gungshubes des Kolbens (7) der Ölstrahl (12c) in das Langloch (16c) eintritt.