DE19834138C1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle befestigten und zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in einem Zylinder alternierend verschiebbar geführten Kolben. Dabei bildet der der Kurbelwelle abgewandte, vom Kolben begrenzte Raum des Zylinders eine Brennkammer. In dem Kolben ist ein Kühlraum ausgebildet, der einen Zufluß zum Zuführen eines unter Überdruck stehenden Kühlmediums und einen Abfluß zum Abführen des Kühlmedium aufweist. Im Bereich der unteren Totpunktposition des Kolbens ist der Zufluß mit einem Zuführanschluß und der Abfluß mit einem Abführanschluß (11) verbindbar, so daß ein geschlossener Kühlkreislauf des Kühlmediums gebildet ist. Außerhalb des Bereichs der unteren Totpunktposition des Kolbens ist der Kühlkreislauf unterbrochen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird durch das Kühlme­ dium zumindest ein Großteil der während der Verbrennung im Kolben induzierten Wärmemenge abgeführt.

Aus der DE 10 86 949 B ist eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art bekannt, bei der dem Kühlraum ein per­ manenter Ölstrom als Kühlmedium über den Zufluß zugeführt wird. Der Abfluß weist ein Überdruckventil auf und mündet in das Kurbelgehäuse. Dabei bildet das Motoröl gleichzeitig das Kühlmittel. Da das Motoröl in seinem Kühl- und Schmier­ umlauf zwar durch einen Ölfilter gereinigt wird, nimmt trotzdem sein Verschmutzungsgrad permanent zu, so daß in bestimmten Abständen sowohl ein Ölaustausch als auch ein Filteraustausch erfolgen müssen. Die Verschmutzung des Öls führt aber auch zu Ablagerungen im Kühlraum des oder der Kolben sowie in den zu den Kühlräumen führenden bzw. von den Kühlräumen wegführenden Leitungen, so daß mit zunehmen­ der Betriebszeit des Motors die Kühlfähigkeit der Kolben abnimmt.

Aus der DE 7 33 931 A ist ein für eine Brennkraftmaschine vorgesehener Kolben der eingangs genannten Art bekannt, dessen Kühlraum über einen Zufluß Kühlmedium zugeführt wird. Über einen Abfluß im Kolben wird das Kühlmedium frei in das Gehäuse der Brennkraftmaschine abgeführt, von wo es über eine Rückkühlvorrichtung in einem ständigen Kreislauf wieder dem Zufluß des Kolbens zugeführt wird.

Da das Kühlmedium durch das Gehäuse der Brennkraftmaschine geführt wird, verschmutzt es schnell, was zu Ablagerungen im Kühlraum des Kolbens sowie in den zu dem Kühlraum hin- und von dem Kühlraum wegführenden Leitungen führt. Dadurch wird mit zunehmender Betriebszeit die Kühlfähigkeit des Kolbens reduziert.

Aus der DE 28 17 515 A1 ist ebenfalls eine Brennkraftma­ schine der eingangs genannten Art bekannt, bei der eben­ falls Motoröl als Kühlmedium verwendet wird. Dabei wird das Motoröl mittels einer Spritzdüse permanent gegen das Schließglied eines im Zufluß angeordneten Ventils geför­ dert, das drehzahlabhängig und/oder temperaturabhängig öffnet und den Ölstrahl in den Kühlraum eintreten läßt. Über eine Abführbohrung kann das Öl aus dem Kühlraum dann in das Kurbelgehäuse ablaufen. Auch hier besteht das Pro­ blem, daß durch Verschmutzung des Kühlraums und seines Zu­ flusses und Abflusses die Kühlfähigkeit abnimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die eine dauerhaft gleichmäßig gute Küh­ lung des oder der Kolben gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine solche Ausbildung ermöglicht einen exakt steuerbaren Austausch des Kühlmediums in einem separaten geschlossenen Kühlkreislauf, der nicht durch Ablagerungen von verschmutz­ tem Motoröl seine Kühlwirkung verringert.

Ein Austritt des Kühlmediums in das Kurbelgehäuse findet nicht mehr statt.

Zwar ist der Kühlkreislauf nur im Bereich des unteren Tot­ punkts des Kolbens geschlossen, der Druck, mit dem dann das Kühlmittel durch den Kühlraum des Kolbens fließt, gewähr­ leistet aber eine zur Kühlung des Kolbens ausreichende Durchflußmenge des Kühlmittels.

Vorzugsweise ist dabei das Kühlmittel Öl.

Ein einfacher Aufbau wird dadurch erreicht, daß der Zufluß und/oder der Abfluß zu der der Kurbelwelle zugewandten Seite gerichtet aus dem Kolben münden und der Zuführan­ schluß und/oder der Abführanschluß zu dem Zufluß und/oder Abfluß hin gerichtet in dem der Kurbelwelle nahen Endbe­ reich des Zylinders angeordnet sind.

Zur strömungsleitenden Kopplung der Anschlüsse können in einfacher Weise der Zuführanschluß und/oder der Abführan­ schluß mit ihren Mündungsöffnungen dem Kolben zugewandte Rohrstutzen sein, die im Bereich der unteren Totpunkt­ position des Kolbens mit den als Bohrungsmündungen ausge­ bildeten Zufluß und/oder Abfluß in strömungsleitendem Ein­ griff sind.

Um einen Verlust an Kühlmittel zu vermeiden, können der Zu­ fluß und/oder der Zuführanschluß bei Trennung des Zuflusses vom Zuführanschluß absperrbar sein sowie der Abfluß und/- oder der Abführanschluß bei Trennung des Abflusses vom Ab­ führanschluß absperrbar sein.

Vorzugsweise sind dabei der Zufluß und/oder Zuführanschluß und/oder Abfluß und/oder Abführanschluß durch Ventile ab­ sperrbar.

Die Ventile können mechanisch und/oder hydraulisch und/oder elektrisch ansteuerbare Ventile sein.

Eine mechanische Ansteuerung erfolgt auf einfache Weise da­ durch, daß das Ventil im Zuführanschluß und/oder im Abführ­ anschluß ein Schließglied aufweist, das im Bereich der unteren Totpunktposition des Kolbens von einem Stößel in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist, der etwa koaxial zu Zuführanschluß und/oder Abführanschluß am Kolben zur Kur­ belwelle hin hervorstehend angeordnet ist.

Ist der Zuführanschluß vom Kühlmedium zwischen Überdruck und drucklos intermittierend beaufschlagbar, wobei die Überdruckbeaufschlagung bei mit dem Zuführanschluß verbun­ denem Zufluß erfolgt, so werden die Ventile allein durch die Druckbeaufschlagung oder Nichtdruckbeaufschlagung von dem Kühlmedium angesteuert. Zusätzliche Einrichtungen zum Öffnen der Ventile sind nicht erforderlich. Vorzugsweise ist dabei die Zufuhr des Kühlmediums zum Zuführanschluß durch ein abhängig vom Hub des Kolbens zwangsgesteuertes Ventil intermittierend steuerbar.

Eine weitere Form der Ansteuerung der Ventile besteht darin, daß das Ventil im Zuführanschluß und/oder im Abführ­ anschluß ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil ist.

Um einen guten Kühlmittelstrom zu erzeugen, durch den die Wärme des Kolbens sowohl gut aufgenommen als auch gut abge­ führt werden kann, ist der Kühlraum ein im Kolben als Ring­ kanal ausgebildeter Kühlkanal.

Sind im Kolben Verbindungen geringen Querschnitts zwischen dem Kühlraum und der zylindrischen Kolbenwand ausgebildet, kann von dem Kühlmedium gleichzeitig eine Schmierung der zylindrischen Kolbenwand im Zylinder erfolgen. Vorzugsweise münden die Verbindungen in in der Kolbenwand radial umlau­ fend ausgebildete Kolbenringnuten, so daß insbesondere im Bereich der Kolbenringe eine gute Schmierung erfolgt.

Um eine gleichmäßige Schmierung am ganzen Umfang des Kol­ bens zu erreichen, sind vorzugsweise die Verbindungen gleichmäßig am Umfang des Kolbens verteilt angeordnet. Da­ bei können die Verbindungen Kanäle geringen Querschnitts oder poröse Verbindungsbereiche sein.

Sind die Verbindungen auf der Druckseite und der Gegen­ druckseite des Kolbens verteilt angeordnet, so erfolgt eine Schmierung besonders intensiv an den verschleißträchtigen Bereichen des Kolbens.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt im Bereich eines Kolbens und Zy­ linders einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Diagramm eines Hubs eines Kolbens über der Win­ kelposition einer Kurbelwelle.

In Fig. 1 ist in einem als Buchse ausgebildeten Zylinder 1 ein Kolben 2 axial verschiebbar angeordnet. Quer durch den Kolben 2 erstreckt sich eine Bolzenbohrung 3, in der ein Kolbenbolzen 4 angeordnet ist. Auf dem mittleren Bereich des Kolbenbolzens 4 ist mittels eines Lagerauges 5 ein Ende eines Pleuels 6 schwenkbar gelagert. Das andere Ende des Pleuels 6 ragt an der Unterseite des Kolbens 2 aus dem Kol­ ben 2 heraus in ein Kurbelgehäuse 7 und ist dort mittels eines zweiten Lagerauges schwenkbar auf einer Kurbelwelle 9 gelagert. Die hin- und hergehende Bewegung des durch Ver­ brennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs verschiebbar ange­ triebenen Kolbens 2 wird durch den Pleuel 6 auf die Kurbel­ welle 9 diese drehend antreibend übertragen. Dabei führt der Kolben 2, wie Fig. 2 zeigt, eine sinusartige Bewegung zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Tot­ punkt OT während einer Umdrehung der Kurbelwelle 9 durch.

In Fig. 1 ist der Kolben 2 in seiner oberen Totpunkt­ position OT dargestellt. Befindet sich der Kolben 2 im Be­ reich seiner unteren Totpunktposition UT, die durch eine unterbrochene Linie der unteren Kontur des Kolbens 2 darge­ stellt ist, so gelangt er in den Bereich eines geschlosse­ nen Kühlkreislaufs KG.

Dieser Kühlkreislauf weist einen Zuführanschluß 10 und einen Abführanschluß 11 auf, die als parallel zur Längs­ achse des Kolbens 2 ausgerichtete Rohrstutzen ausgebildet sind und mit ihren Mündungen zur Unterseite des Kolbens 2 zeigen.

In der nicht dargestellten Verbindung zwischen dem Zuführ­ anschluß 10 und dem Abführanschluß 11 ist ein Druckerzeuger wie zum Beispiel eine Pumpe angeordnet, durch die Kühl­ medium, zum Beispiel Öl, unter Druck dem Zuführanschluß 10 zugeführt wird. Weiterhin können in dieser Verbindung noch ein Kühler und ein Filter angeordnet sein.

Befindet sich der Kolben 2 in seiner unteren Totpunkt­ position UT, so gelangen der Zuführanschluß 10 mit einem im Kolben 2 ausgebildeten Zufluß 12 und der Abführanschluß 11 mit einem ebenfalls im Kolben 2 ausgebildeten Abfluß 13 in strömungsleitenden Ringriff. Der Zufluß 12 ist fluchtend mit dem Zuführanschluß 10 und der Abfluß 13 fluchtend mit dem Abführanschluß 11 ausgebildet. Zufluß 12 und Abfluß 13 führen von ihren, dem Kurbelgehäuse 7 zugewandten Mündungs­ öffnungen zu einem im oberen Bereich des Kolbens 2 radial umlaufend als Ringkanal ausgebildeten Kühlkanal 14.

Dadurch kann dann, wenn der Kolben 2 sich im Bereich der unteren Totpunktposition UT und somit im Bereich des ge­ schlossenen Kühlkreislaufs KG befindet, das Kühlmedium unter Druck über den Zuführanschluß 10 und den Zufluß 12 in den Kühlkanal 14 strömen, dort die Wärme des Kolbens 2 auf­ nehmen und über den Abfluß 13 und den Abführanschluß 11 wieder aus dem Kolben 2 fließen.

Damit kein Kühlmedium aus dem Kühlkanal 14 des Kolbens 2 in das Kurbelgehäuse 7 austreten sondern die Wärme des Kolbens 2 gut aufnehmen kann, wenn Zufluß 12 und Abfluß 13 außer Eingriff von Zuführanschluß 10 und Abführanschluß 11 sind, sind in Zufluß 12 und Abfluß 13 entgegen der Strömungs­ richtung schließende Ventile 15 und 16 angeordnet.

In gleicher Weise sind im Zuführanschluß 10 und im Abführ­ anschluß 11 entgegen der Strömungsrichtung schließende Ventile 17 und 18 angeordnet, so daß auch dort bei unter­ brochenem Kühlkreislauf und der momentanen Nichtdruck­ beaufschlagungsphase am Zuführanschluß 10 kein Kühlmedium austreten kann.

Die Darstellung der Ventile 15 bis 18 ist symbolhaft. Jede die Funktion erfüllende Ventilart kann dazu verwendet wer­ den.

Von dem Kühlkanal 14 führen etwa radial gerichtet Kanäle 19 geringen Querschnitts in den Bodenbereich von Kolbenring­ nuten 20, die radial umlaufend in der zylindrischen Kolben­ wand des Kolbens 2 ausgebildet sind und Kolbenringe 20 auf­ nehmen, die mit ihrer aus der Kolbenringnut 20 herausragen­ den, radial umlaufenden Stirnseite an der Wand des Zylin­ ders 1 anliegen. Damit erfolgt von dem Kühlkanal 14 her eine Schmierung des im Zylinder 1 axial bewegten Kolbens 2.

Anstelle der Kanäle 19 kann auch eine entsprechende Poro­ sität zwischen dem Kühlkanal 14 und den Kolbenringnuten vorgesehen sein, durch die die zur Schmierung benötigte Menge des Öls in den Bereich der Kolben/Laufbuchsenpaarung treten kann.

Claims (18)

1. Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle (9) befestigten und zwischen einem oberen Totpunkt und ei­ nem unteren Totpunkt in einem Zylinder (1) alternierend verschiebbar geführten Kolben (2), wobei der der Kur­ belwelle (9) abgewandte, vom Kolben (2) begrenzte Raum des Zylinders (1) eine Brennkammer bildet, mit einem im Kolben (2) ausgebildeten Kühlraum, der einen Zufluß (12) zum Zuführen eines unter Überdruck stehenden Kühl­ mediums und einen Abfluß (13) zum Abführen des Kühlme­ diums aufweist, die zu einem Kühlkreislauf miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der unteren Tot­ punktposition (UT) des Kolbens (2) der Zufluß (12) mit einem Zuführanschluß (10) und der Abfluß (13) mit einem Abführanschluß (11) verbindbar ist, wobei der Abführan­ schluß (11) in Strömungsrichtung des Kühlmediums über einen Druckerzeuger mit dem Zuführanschluß (10) verbun­ den ist und bei mit dem Zuführanschluß (10) verbundenem Zufluß (12) sowie mit dem Abführanschluß (11) verbunde­ nem Abfluß (13) ein geschlossener Kühlkreislauf des Kühlmediums gebildet ist und außerhalb des Bereichs der unteren Totpunktposition (UT) des Kolbens (2) der Kühl­ kreislauf unterbrochen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium ein tempe­ raturbeständiges Öl vorgesehen ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß (12) und/oder der Abfluß (13) zu der der Kurbelwelle (9) zugewandten Seite gerichtet aus dem Kolben (2) münden und der Zu­ führanschluß (10) und/oder der Abführanschluß (11) zu dem Zufluß (12) und/oder Abfluß (13) hin gerichtet in dem der Kurbelwelle (9) nahen Endbereich des Zylinders (1) angeordnet sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführanschluß (10) und/oder der Abführanschluß (11) mit ihren Mündungs­ öffnungen dem Kolben (2) zugewandte Rohrstutzen sind, die im Bereich der unteren Totpunktposition (UT) des Kolbens (2) mit den als Bohrungsmündungen ausgebildeten Zufluß (12) und/oder Abfluß (13) in strömungsleitendem Eingriff sind.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß (12) und/oder der Zuführanschluß (10) bei Trennung des Zuflusses (12) vom Zuführanschluß (10) absperrbar sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß (13) und/oder der Abführanschluß (11) bei Trennung des Abflusses (13) vom Abführanschluß (11) absperrbar sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Zufluß (12) und/oder Zu­ führanschluß (10) und/oder Abfluß (13) und/oder Abführ­ anschluß (11) durch Ventile (15 bis 18) absperrbar sind.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile mechanisch und/oder hydraulisch und/oder elektrisch ansteuerbare Ventile sind.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil im Zuführan­ schluß (10) und/oder im Abführanschluß (13) ein Schließglied aufweist, das im Bereich der unteren Tot­ punktposition (UT) des Kolbens (2) von einem Stößel in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist, der etwa koaxial zum Zuführanschluß (10) und/oder Abführanschluß (13) am Kolben (2) zur Kurbelwelle (9) hin hervorstehend ange­ ordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführanschluß (10) vom Kühlmedium zwischen Überdruck und drucklos inter­ mittierend beaufschlagbar ist, wobei die Überdruck­ beaufschlagung bei mit dem Zuführanschluß (10) verbun­ denem Zufluß (12) erfolgt.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Kühlmediums zum Zuführanschluß (10) durch ein abhängig vom Hub des Kolbens (2) zwangsgesteuertes Ventil intermittierend steuerbar ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil im Zufuhr­ anschluß (10) und/oder im Abführanschluß (13) ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil ist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlraum ein im Kolben (2) als Ringkanal ausgebildeter Kühlkanal (14) ist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben (2) Verbindungen geringen Querschnitts zwischen dem Kühlraum und der zy­ lindrischen Kolbenwand ausgebildet sind.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen in an der Kolbenwand radial umlaufend ausgebildete Kolbenring­ nuten (20) münden.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen gleich­ mäßig am Umfang des Kolbens (2) verteilt angeordnet sind.

17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen auf der Druckseite und der Gegendruckseite des Kolbens (2) ver­ teilt angeordnet sind.

18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen Kanäle (19) geringen Querschnitts oder poröse Verbindungs­ bereiche sind.