EP0825335B1 - Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0825335B1
EP0825335B1 EP97110179A EP97110179A EP0825335B1 EP 0825335 B1 EP0825335 B1 EP 0825335B1 EP 97110179 A EP97110179 A EP 97110179A EP 97110179 A EP97110179 A EP 97110179A EP 0825335 B1 EP0825335 B1 EP 0825335B1
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EP
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spraying nozzle
nozzle according
combustion engine
internal combustion
diameter
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Jürgen Poth
Olaf Fiedler
Achim Bauer
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/14—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means with multiple outlet openings; with strainers in or outside the outlet opening
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/0204—Filling
    • F01P11/0209—Closure caps
    • F01P11/0238—Closure caps with overpressure valves or vent valves

Definitions

  • the invention relates to a spray nozzle for the piston cooling of an internal combustion engine according to the genus of the main claim.
  • the pistons In highly loaded internal combustion engines, the pistons often have to be cooled in order to Avoid too high piston temperatures. An excessively high piston temperature has a negative effect on the fatigue strength, especially with light metal materials of the piston. In addition, sometimes occur at very high piston temperatures Problems due to thermal carbon build-up and deposits in the Piston ring grooves on. Further increase with the increase in Piston temperature due to thermal expansion the deviations from the original piston geometry. The areas of highest temperatures of the The piston crown depends on the position of the spark plug, the valve geometry and the ignition timing. The range of highest temperatures is mostly in Exhaust valve area.
  • DE 31 25 835 C2 also discloses a spray nozzle for piston cooling an internal combustion engine is known in which the mouth channel by folding a Pipe is formed, the shape of the mouth channel deviating from the circular shape.
  • a spray nozzle is known with which two or more oil jets are generated that affect different areas of the piston crown.
  • EP 057 790 A1 discloses a nozzle arrangement in which a central bore of several holes are surrounded by a ring.
  • the diameter of the central hole is larger than the diameter of the ring bores, so that a central one when exposed to oil Main jet is formed by a concentric oil jet generated by the ring nozzles is surrounded.
  • the invention is based on the object of a spray nozzle for piston cooling Improve internal combustion engine so that over the entire operating temperature range Internal combustion engine and the lubricating oil and especially at high lubricating oil temperatures targeted, concentrated action on the piston and thus effective cooling is achieved.
  • a spray nozzle should be simple and inexpensive to manufacture and without construction Changes to the internal combustion engine used instead of the generic spray nozzles can be.
  • the diameter d of all mouth channels is substantially the same and the distance a the central axes of the mouth channels to each other is smaller than twice the diameter of the Mouth channels, is a targeted and safe loading of the piston crown even at high Oil temperatures possible.
  • the inventive formation of the mouth channels form with the same total flow rate compared to a conventional spray nozzle even at high Temperatures of the oil and high pressures cause laminar flows within the channel, which is one Prevent the oil jet from fanning out prematurely. It has been shown that through training a beam pattern can be achieved in two closely adjacent mouth channels, in which already about 10 mm up to 30 mm after the nozzle mouth, bundling into a full jet takes place.
  • a particularly good and sharp bundling of the oil jet results when the diameter of the Mouth channels is between 0.8 mm and 1.5 mm.
  • a particularly favorable flow pattern within the mouth channel and one with it accompanying sharp bundling of the emerging oil jet results when the entrance area is expanded conically in the mouth channel.
  • a particularly simple and inexpensive construction of such a spray nozzle is achieved if this has a nozzle end piece with the mouth channels formed therein, which in a sleeve-like carrier component is used.
  • a carrier-like sleeve component can then for example, a check valve can be integrated.
  • the spray nozzle 1 shown in Fig. 1 for the piston cooling of an internal combustion engine consists essentially of a support member 2 and an associated Nozzle end piece 3.
  • the carrier component 2 has a bottom section 4 and one of them outgoing sleeve-shaped section 5.
  • In the bottom section 4 are a Inlet bore 6 and an adjoining valve seat 7 are formed.
  • In the built-in State of the spray nozzle 1 is the supply bore 6 with the lubricating oil circuit Internal combustion engine connected.
  • Inside the sleeve-shaped section 5 is a with the valve seat 7 cooperating valve member 8, which in this Embodiment is designed as a valve ball.
  • the valve member 8 is against Effect of the oil flowing through the supply bore 6 by a spring 9 against the Valve seat 7 pressed and acts as a check valve.
  • the spring 9 is supported on the one hand on the valve member 8 and on the other hand on a circumferential shoulder 10 of the Nozzle end piece 3.
  • the nozzle end piece 3 consists of two cylindrical sections, a first one Section 11 of larger diameter and a second section 12 smaller Diameter. Between the two cylindrical sections 11 and 12 is a conical transition area 13 formed. The nozzle end piece 3 is so in that Carrier component 2 used that the free end face 14 of the first section 11 abuts a circumferential shoulder 15 of the support member 2. By flanging the free edge 16 of the support member, the nozzle end piece is held. The free edge or the flanged section of the free edge 16 is then on the conical Transition 13 at. Starting from the free end face 14 runs in the first cylindrical section 11 a bore 17 which is conical up to the shoulder 10 tapered towards. Two parallel outlet channels 19 extend from the bottom 18 of this bore, 20, which extend into and penetrate the second section 12. The entry area 21, 22 of the two outlet channels 19, 20 is towards the bore 17 expanded conically. The cone angle is approximately in this embodiment 45 °.
  • the two outlet channels 19 and 20 have the in this embodiment same dimensions, i.e. Length and diameter d are the same.
  • the diameter d of the two mouth channels is 1.2 mm in this embodiment. However, it is easily possible to change the diameter depending on the oil pressure, Nozzle length and distance of the piston crown between 0.8 mm and 1.5 mm vary.
  • the distance a between the two outlet channels 19, 20 is in this Embodiment 1.5 mm, but can range between about 1.0 mm and 2.0 mm can be varied. To bundle the two as early as possible to achieve partial beams emerging in a full jet, the distance a should both mouth channels are kept relatively small, i.e. the distance a should be smaller than twice the mouth channel diameter d.
  • valve member 8 is designed as a valve cone. Through this Training can be compared to the spherical design of the valve member 8 achieve a significant reduction in switching hysteresis.
  • the nozzle end piece in Depends on the required oil throughput the available one Oil pressure and the distance of the nozzle end piece from the one to be charged Piston plate also more than two outlet channels can be provided.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches.
In hochbelasteten Brennkraftmaschinen müssen häufig die Kolben gekühlt werden, um zu hohe Kolbentemperaturen zu vermeiden. Eine übermäßig hohe Kolbentemperatur wirkt sich insbesondere bei Leichtmetallwerkstoffen negativ auf die Dauerfestigkeit des Kolbens aus. Darüber hinaus treten bei sehr hohen Kolbentemperaturen mitunter Probleme durch thermisch bedingten Ölkohleaufbau und durch Ablagerungen in den Kolbenringnuten auf. Weiterhin vergrößern sich mit der Zunahme der Kolbentemperatur aufgrund der Wärmedehnung die Abweichungen von der ursprünglichen Kolbengeometrie. Die Bereiche höchster Temperaturen des Kolbenbodens sind abhängig von der Lage der Zündkerze, der Ventilgeometrie und dem Zündzeitpunkt. Dabei liegt der Bereich höchster Temperaturen zumeist im Bereich der Auslaßventile.
Eine wirksame und relativ preisgünstige Lösung zur Senkung der Kolbenbodentemperaturen ist die Anspritzung des Kolbenbodens mit Schmieröl aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine. Dazu werden im Bereich des Kurbelgehäuses bzw. des Kurbeltriebes Spritzdüsen angeordnet, die mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden sind und deren Ölstrahl auf die Unterseite des Kolbenbodens gerichtet ist. Eine derartige Spritzdüse ist beispielsweise in der DE 40 12 475 C2 beschrieben. Bei derartigen Kolbendüsen zur Ausbildung eines Vollstrahls hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Temperatur des Öls und damit einhergehender Verringerung der Ölviskosität bei gleichzeitig höheren Öldrücken eine Auffächerung des Ölstrahls erfolgt, so daß kein gezielter, gebündelter Ölstrahl mehr an den Kolbenboden gelangt.
Aus der DE 31 25 835 C2 ist darüber hinaus eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Mündungskanal durch Faltung eines Rohres gebildet wird, wobei die Form des Mündungskanals von der Kreisform abweicht.
Aus der DE 25 05 019 A1 ist eine Spritzdüse bekannt, mit der zwei oder mehr Ölstrahlen erzeugt werden, die unterschiedliche Bereiche des Kolbenbodens beaufschlagen.
In der EP 057 790 A1 ist eine Düsenanordnung offenbart, bei der eine zentrale Bohrung von mehreren Bohrungen kranzartig umgeben ist. Der Durchmesser der zentralen Bohrung ist größer als der Durchmesser der Ringbohrungen, so dass bei der Beaufschlagung mit Öl ein zentraler Hauptstrahl ausgebildet ist, der von einem von den Ringdüsen erzeugten konzentrischen Ölstrahl umgeben ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine so zu verbessern, dass über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Brennkraftmaschine und des Schmieröls und insbesondere bei hohen Schmieröltemperaturen eine gezielte, gebündelte Beaufschlagung des Kolbens und damit eine wirksame Kühlung erreicht wird. Eine derartige Spritzdüse soll dabei einfach und kostengünstig herzustellen sein und ohne bauliche Änderungen an der Brennkraftmaschine anstelle der gattungsgemäßen Spritzdüsen eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, dass der Durchmesser d aller Mündungskanäle im wesentlichen gleich ist und der Abstand a der Mittelachsen der Mündungskanäle zueinander kleiner ist als der zweifache Durchmesser der Mündungskanäle, ist eine gezielte und sichere Beaufschlagung des Kolbenbodens auch bei hohen Öltemperaturen möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Mündungskanäle bilden sich bei gleicher Gesamtdurchflussmenge gegenüber einer herkömmlichen Spritzdüse auch bei hohen Temperaturen des Öls und hohen Drücken laminare Strömungen innerhalb des Kanals aus, die eine frühzeitige Auffächerung des Ölstrahls verhindern. Dabei hat sich gezeigt, dass durch die Ausbildung zweier eng benachbarter Mündungskanäle ein Strahlbild zu erzielen ist, bei dem bereits etwa 10 mm bis 30 mm nach der Düsenmündung eine Bündelung zu einem Vollstrahl erfolgt. Eine damit einhergehende Verbesserung der Kolbenkühlung ist ohne bauliche Änderungen an der Brennkraftmaschine zu erzielen. Es braucht gegenüber herkömmlichen Spritzdüsen nur das mit den Mündungskanälen versehene Endstück gegen ein Endstück mit zwei oder mehr parallelen Mündungskanälen ausgetauscht werden. Der Düsenträger bzw. der in die entsprechende Aufnahmebohrung der Brennkraftmaschine eingesetzte Düsenträger kann genau wie bei herkömmlichen Spritzdüsen ausgebildet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Eine besonders gute und scharfe Bündelung des Ölstrahls ergibt sich, wenn der Durchmesser der Mündungskanäle etwa zwischen 0,8 mm und 1,5 mm liegt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Bündelung des sich ergebenden Vollstrahls besonders gut und die Auffächerung besonders gering ist, wenn der Abstand der Mündungskanäle im Bereich zwischen 1mm und 2mm beträgt.
Ein besonders günstiger Strömungsverlauf innerhalb des Mündungskanals und eine damit einhergehende scharfe Bündelung des austretenden Ölstrahls ergibt sich, wenn der Eingangsbereich in den Mündungskanal kegelförmig erweitert ist.
Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau einer derartigen Spritzdüse wird erreicht, wenn diese ein Düsenendstück mit den darin ausgebildeten Mündungskanälen aufweist, das in ein hülsenartiges Trägerbauteil eingesetzt ist. In diesem trägerartigen Hülsenbauteil kann dann beispielsweise ein Rückschlagventil integriert sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
Letztere zeigt in
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spritzdüse,
Fig. 2
einen Längsschnitt durch ein Düsenendstück dieser Spritzdüse,
Fig. 3
eine Draufsicht auf die Austrittsseite des Düsenendstückes und
Fig. 4
eine Abwandlung des Trägerbauteils nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Spritzdüse 1 für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Trägerbauteil 2 und einem damit verbundenen Düsenendstück 3. Das Trägerbauteil 2 hat einen Bodenabschnitt 4 und ein davon ausgehenden hülsenförmigen Abschnitt 5. Im Bodenabschnitt 4 sind eine Zulaufbohrung 6 und ein daran angrenzender Ventilsitz 7 ausgebildet. Im eingebauten Zustand der Spritzdüse 1 ist die Zuführbohrung 6 mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Im Inneren des hülsenförmigen Abschnittes 5 ist ein mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkendes Ventilglied 8 geführt, das in diesem Ausführungsbeispiel als Ventilkugel ausgebildet ist. Das Ventilglied 8 wird gegen die Wirkung des über die Zuführbohrung 6 strömenden Öls durch eine Feder 9 gegen den Ventilsitz 7 gepreßt und wirkt als Rückschlagventil. Die Feder 9 stützt sich einerseits am Ventilglied 8 und andererseits an einer umlaufenden Schulter 10 des Düsenendstückes 3 ab.
Das Düsenendstück 3 besteht aus zwei zylindrischen Abschnitten, einem ersten Abschnitt 11 größeren Durchmessers und einem zweiten Abschnitt 12 kleineren Durchmessers. Zwischen den beiden zylindrischen Abschnitten 11 und 12 ist ein kegelförmiger Übergangsbereich 13 ausgebildet. Das Düsenendstück 3 ist so in das Trägerbauteil 2 eingesetzt, daß die freie Stirnseite 14 des ersten Abschnittes 11 an einer umlaufenden Schulter 15 des Trägerbauteils 2 anliegt. Durch Umbördeln des freien Randes 16 des Trägerbauteils wird das Düsenendstück gehalten. Der freie Rand bzw. der umgebördelte Abschnitt des freien Randes 16 liegt dann am kegelförmigen Übergang 13 an. Von der freien Stirnseite 14 ausgehend verläuft im ersten zylindrischen Abschnitt 11 eine Bohrung 17, die sich kegelförmig bis zur Schulter 10 hin verjüngt. Vom Boden 18 dieser Bohrung gehen zwei parallele Mündungskanäle 19, 20 aus, die sich bis in den zweiten Abschnitt 12 erstrecken und diesen durchdringen. Der Eintrittsbereich 21, 22 der beiden Mündungskanäle 19, 20 ist zur Bohrung 17 hin kegelförmig erweitert. Der Kegelwinkel beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 45°.
Die beiden Mündungskanäle 19 und 20 haben in diesem Ausführungsbeispiel die gleichen Abmessungen, d.h. Länge und Durchmesser d sind gleich. Der Durchmesser d der beiden Mündungskanäle beträgt in diesem Ausführungsbeispiel jeweils 1,2 mm. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, den Durchmesser in Abhängigkeit von Öldruck, Düsenlänge und Abstand des Kolbenbodens zwischen 0,8 mm und 1,5 mm zu variieren. Der Abstand a der beiden Mündungskanäle 19, 20 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1,5 mm, kann jedoch im Bereich zwischen etwa 1,0 mm und 2,0 mm variiert werden. Um eine möglichst frühzeitige Bündelung der beiden austretenden Teilstrahle in einen Vollstrahl zu erreichen, sollte der Abstand a der beiden Mündungskanäle relativ klein gehalten werden, d.h. der Abstand a sollte kleiner als der zweifache Mündungskanaldurchmesser d sein.
In Fig. 4 ist eine Abwandlung des in Fig. 1 beschriebenen Trägerbauteils 2 dargestellt, das sich durch die Ausbildung des Rückschlagventils von diesem unterscheidet. In dieser Abwandlung ist das Ventilglied 8 als Ventilkegel ausgebildet. Durch diese Ausbildung läßt sich gegenüber der kugeligen Ausbildung des Ventilgliedes 8 eine deutliche Verringerung der Schalthysterese erzielen.
Es hat sich im Zusammenhang mit Untersuchungen der erfindungsgemäßen Düse gegenüber herkömmlichen Spritzdüsen mit nur einem Mündungskanal gezeigt, das sich bei gleichbleibender Durchflußmenge gegenüber einer Bohrung mit größerem Durchmesser die Reynoldszahlen und die laminaren Anlaufstrecken deutlich reduzieren lassen. Die kleineren Reynoldszahlen bei der erfindungsgemäßen Spritzdüse mit zwei oder mehr Mündungskanälen stellen sicher, daß die Strömung auch noch bei hohen Temperaturen und damit geringeren Viskositäten und auch bei höheren Drücken und damit höheren Strömungsgeschwindigkeiten laminar bleibt und nicht in den Bereich turbulenter Strömungen gerät. Aufgrund der Drosselwirkung der relativ kleinen Durchmesser der Mündungskanäle stellt sich zusätzlich innerhalb des Trägerbauteils ein höherer Gegendruck ein, der sich positiv auf die Hysterese zwischen Öffnungs- und Schließdruck des Rückschlagventiles auswirkt. Damit ist ein sicheres und definiertes Öffnungs- und Schließverhalten des Rückschlagventils innerhalb eines sehr engen Druckbereiches möglich.
Im Gegensatz zum hier dargestellten Ausführungsbeispiel können im Düsenendstück in Abhängigkeit von dem erforderlichen Öldurchsatz, dem zur Verfügung stehenden Öldruck und der Entfernung des Düsenendstückes vom zu beaufschlagenden Kolbenboden auch mehr als zwei Mündungskanäle vorgesehen werden. Dabei ist eine symmetrische Anordnung der Düsenkanäle vorteilhaft. So können beispielsweise drei Mündungskanäle so angeordnet werden, daß ihre Achsen ein gleichseitiges Dreieck bilden.

Claims (10)

  1. Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine mit mehreren, in einem Düsenendstück (3) verlaufenden Mündungskanälen (19, 20) zur Erzeugung eines Vollstrahls, wobei die Mündungskanäle (19, 20) annähernd parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d aller Mündungskanäle (19, 20) gleich ist und dass der Abstand a der Mittelachsen der Mündungskanäle (19, 20) zueinander kleiner als 2d ist.
  2. Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d der Mündungskanäle (19, 20) 0,8mm bis 1,5mm beträgt.
  3. Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d der Mündungskanäle (19, 20) etwa 1,2mm beträgt.
  4. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a der Mündungskanäle (19, 20) 1,0mm bis 2,0mm beträgt.
  5. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a der Mündungskanäle (19, 20) etwa 1,5mm beträgt.
  6. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungskanäle (19, 20) an ihrem Eintrittsende (21, 22) kegelförmig erweitert sind.
  7. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel etwa 45° beträgt.
  8. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenendstück (3) in einem hülsenartigen Trägerbauteil (2) eingesetzt ist.
  9. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Trägerbauteil (2) ein Rückschlagventil (7, 8) ausgebildet ist.
  10. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil ein kegelförmiges Ventilglied (8) hat.
EP97110179A 1996-08-17 1997-06-21 Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0825335B1 (de)

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