WO2018114701A1 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines kolbens einer hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

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WO2018114701A1
WO2018114701A1 PCT/EP2017/083100 EP2017083100W WO2018114701A1 WO 2018114701 A1 WO2018114701 A1 WO 2018114701A1 EP 2017083100 W EP2017083100 W EP 2017083100W WO 2018114701 A1 WO2018114701 A1 WO 2018114701A1
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piston
lubricating oil
internal combustion
combustion engine
obk
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PCT/EP2017/083100
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Hong Zhang
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Continental Automotive Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/08—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P2003/006—Liquid cooling the liquid being oil

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a piston of a reciprocating internal combustion engine, wherein the piston is supplied via a nozzle device under pressure lubricating oil.
  • the fuel-bound chemical energy is converted into heat in the cylinder. Some of this heat is converted by the piston into mechanical work ⁇ and this transmitted via the connecting rod to the crankshaft. The remainder of this heat is dissipated partly by means of the exhaust gas and partly transmitted by convection and radiation to the combustion chamber delimiting parts of the internal combustion engine.
  • the pistons of a reciprocating internal combustion engine while exposed primarily the piston head as a movable wall of the combustion chamber to very high temperatures.
  • Piston nozzles arranged fixed to the housing and with the
  • Lubricating oil circuit of the internal combustion engine connected.
  • the lubricating oil jet emerging from the piston nozzles is directed towards the underside of the piston crown, so that the lubricating oil absorbs heat and thus this point is cooled.
  • Such a procedure is generally referred to as Anspritzkühlung. If electrically switchable piston spray nozzles are used for injection cooling, they are generally released only when a predetermined threshold value for the engine temperature for injection molding of the piston is reached.
  • the tospritzte amount of lubricating oil is dependent on the load and speed of the reciprocating internal combustion engine.
  • the dynamic Su ⁇ alteration of temperature on the piston surface, particularly on the piston head is not considered.
  • Lubricating oil pump increases when a predetermined speed of the internal combustion engine is exceeded, without taking into account the dynamic change in temperature of the piston surface.
  • DE 10 2004 017 909 AI discloses a device for cooling of at least one piston of an internal combustion engine by means of a lubricating oil pump, which oil from the lubricating oil circuit each piston via one, having an outlet opening supply line at least bottom side, wherein the oil is supplied via at least one valve.
  • a lubricating oil pump or a solenoid valve is controlled load-dependent.
  • a control unit ensures that the lubricating oil pump is controlled load-dependent for providing a variable pressure in the lubricating oil circuit at different operating conditions, a check valve allows a supply of lubricating oil only from a defined pressure in the lubricating oil circuit.
  • the valve is a controllable solenoid valve, which is controlled by the load-dependent control unit.
  • the solenoid valve can additionally be controlled as a function of the engine temperature, the engine speed and / or the lubricating oil temperature. From DE 10 2005 006 054 AI a method for operating a reciprocating engine is known, which has a switching valve for controlling the amount of oil for cooling the piston, wherein the
  • Switching valve controls the device for cooling the piston operating point dependent.
  • the switching valve is controlled by a control unit, which operating parameters such. B. receives the speed, the load, the coolant temperature, the oil temperature and / or the hydraulic request as an input value. From this, the control unit calculates the opening times of the switching valve. This is determined from the operating parameters
  • the object of the invention is to specify a method and a device which effectively ensures demand-driven cooling of a piston of a reciprocating internal combustion engine. This task is governed by the objects of the independent
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for cooling a piston of a reciprocating internal combustion engine having a lubricating oil system for lubrication and cooling, with at least one arranged in a crankcase of the reciprocating internal combustion engine, electrically controllable piston injector by means of an electrically controllable lubricating oil pump lubricating oil if necessary is supplied from the lubricating oil system.
  • the at least one Kol ⁇ Benspritzdüse has at least one outlet opening for the lubricating oil, wherein the at least one outlet opening in such a way is aligned that lubricating oil is injected onto the underside of the piston.
  • the amount of lubricating oil supplied to the piston is controlled as a function of the actual surface temperature of the piston.
  • the gating of the piston with oil, and therefore the cooling of the piston may be such that it can be operated with a maximum allowable temperature can, on the one hand, thermal damage to the piston occur and on the other hand an economic operation in terms of high efficiency and low emissions is possible.
  • a stationary surface temperature of the piston is determined with the aid of modeling on the basis of operating parameters of the reciprocating internal combustion engine. This makes it possible to dispense with a temperature sensor, which in any case not the temperature of the
  • Pistons could detect directly, but only indirectly on a stationary engine part near the piston, which in turn would provide inaccurate results. It is particularly advantageous if a speed, an induced torque, a coolant temperature of the reciprocating internal combustion engine, and a heating time constant are used as operating parameters, the latter being selected as a function of the rotational speed of the reciprocating internal combustion engine. Since these operating parameters are anyway present in the control device for other control and / or regulation strategies, the result is a simple method without the need for additional sensors. According to a further advantageous Ausgastalung of the method, only lubricating oil is supplied to the piston for cooling when the stationary surface temperature of the piston exceeds a predetermined threshold.
  • a particularly effective method results when the amount of lubricating oil with which the piston is injected, is controlled by means of a regulator such that the deviation between the value of the current surface temperature of the piston and the threshold value is zero.
  • the regulator is additionally raised the lubricating oil pressure to the required quantity.
  • optimum cooling of the piston can be achieved without the threshold being exceeded. If a piston injection nozzle with a plurality of outlet openings is used, then it is advantageous that different
  • Partial areas of the underside of the piston are molded. This results in a more uniform heat dissipation from the piston surface and so-called hotspots can be avoided.
  • pistons are to be cooled, which have cooling channels on their underside, which lead into the interior of the pistons, then it is advantageous that the outlet openings of the piston injection nozzles are aligned such that lubricating oil on and in the inputs this cooling channels is injected. This results in a very effective cooling of the piston
  • FIG. 1 shows a device for cooling a piston of a piston
  • Figure 2 is a flow chart for operating the device.
  • 1 shows a schematic representation of a device 10 for cooling a disposed within a cylinder piston 21 of a reciprocating internal combustion engine 20.
  • the reciprocating internal combustion engine 20 has a crankcase 22 which receives a crankshaft 23 and also a rod 24, which with the Piston 21 is coupled, so that the up and down movement of the piston 21 is converted into a rotational movement of the crankshaft 23.
  • the crankcase 22 is partially filled with lubricating oil 11, usually called engine oil.
  • An electrically driven lubricating oil pump 12 draws in by means of a suction line 13, the lubricating oil 11 from a part of the crankcase 22 forming oil pan 25 and supplied via a connected to the pressure side of the lubricating oil pump 12 supply line 14, the piston 21 for the purpose of cooling with lubricating oil 11.
  • This is in To ⁇ guide 14 arranged as a switching valve, electrically actuated piston nozzle 15 is arranged.
  • the lubricating oil flow in the supply line 14 can be released or prevented.
  • the piston nozzle 15 is fixedly arranged within the crankcase 22 such that when the piston 21 moves between the two extreme positions-top dead center and bottom dead center-lubricating oil 11 is activated when the lubricating oil pump is activated and in the open position located piston injector 15 lubricating oil is injected onto the underside of the piston crown.
  • the piston injection nozzle has an outlet opening 16 for the lubricating oil 11.
  • the piston injection nozzle 15 may also have a plurality, in particular two outlet openings 16, so that the individual spray jets from the individual outlet openings 16 reach different regions of the underside of the piston crown.
  • the piston has cooling channels 21, so it can be provided that the or more of the outlet openings 16 of the ⁇ piston spray nozzle 15 is aimed directly at the input of such a cooling channel. As a result, the cooling effect can be further increased.
  • the lubricating oil pump 12 is designed as a so-called. Fully variable lubricating oil pump ⁇ whose pressure regulated almost arbitrarily, or can be ge ⁇ controls.
  • FIG. 1 shows only a single piston 21 of the reciprocating internal combustion engine 20.
  • the reciprocating internal combustion engine 20 may also have a plurality of cylinders, each with a piston, wherein for each piston a separate piston nozzle is provided, which are preferably supplied by a single lubricating oil pump.
  • each of the piston injection nozzles it is also possible for each of the piston injection nozzles to be assigned its own lubricating oil pump.
  • an electronic control unit (ECU) 30 For controlling and / or regulating the reciprocating internal combustion engine 20, an electronic control unit (ECU) 30 is provided.
  • the control device 30 includes a computing unit (processor) 31, which with a
  • Program memory 32 and a value memory 33 (data memory) is coupled.
  • the arithmetic unit 31, the program memory 32 and the value memory 33 may each comprise one or more microelectronic components. Alternatively, these components may be partially or fully integrated in a single microelectronic device.
  • programs or values are stored, which are for the operation of Hubkolbenbrenn- engine 20 are needed.
  • a method FKT_KÜHL for cooling the piston 21 is implemented, the internal combustion engine during operation of the reciprocating piston is being processed 20 by the arithmetic unit 31, as will be explained in detail with reference to the description of FIG. 2
  • the control device 30 is assigned a plurality of sensors, which detect different measured variables and in each case determine the measured value of the measured variable.
  • Operating variables include not only the measured quantities but also variables derived therefrom.
  • the control device 30 determines dependent on at least one of the measured variables and / or the operating variables manipulated variables, which are then converted into one or more actuating signals for controlling actuators by means of corresponding actuators.
  • the sensors are, for example, an air mass meter or an intake manifold pressure sensor 26, which supplies a load signal L, a temperature sensor 27, which represents a temperature representing the temperature of the reciprocating internal combustion engine 20, usually the coolant temperature TKW of the reciprocating internal combustion engine 20 and a crankshaft angle sensor 28 which a Crankshaft angle detected, then a speed N is assigned.
  • the signals from further, not explicitly shown sensors, which are necessary for the operation of the reciprocating internal combustion engine 20 and its ancillaries are generally denoted by the reference symbol ES.
  • the actuators are, for example, the electrically controllable lubricating oil pump 12 and the electrically controllable piston ⁇ injection nozzle 15.
  • the signals for other, not explicitly ⁇ Asked actuators, which are necessary for operating the Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 and its ancillaries are generally denoted by the reference symbol AS.
  • FIG. 2 shows in the form of a flowchart a method FKT COOL for cooling a piston 21 + a reciprocating piston engine. engine 20, which is executed by the controller 30.
  • the method is started in a step S1, wherein this time occurs in time for the start of the reciprocating internal combustion engine 20.
  • a stationary piston surface temperature T_OBK_STAT is determined. This is preferably done by means of a modeling using the rotational speed N of the reciprocating internal combustion engine 20, the induced torque of the reciprocating internal combustion engine 20 and the coolant temperature TKW of the reciprocating internal combustion engine 20. These parameters are anyway present in the control device 30 for other control and / or regulation strategies. Furthermore, when determining the stationary piston surface temperature T_OBK_STAT, a heating time constant ZK is also included, which depends on the rotational speed N in the value memory 33 of FIG.
  • Control device 30 is stored.
  • a step S3 it is checked whether the stationary Oberflä ⁇ chentemperatur T_OBK_STAT of the piston 21 exceeds a predetermined threshold T_OBK_SW.
  • This threshold value T_OBK_SW represents the maximum permissible temperature value which may not be exceeded since otherwise damage or even destruction of the piston 21 is to be expected. It is primarily dependent on the structural design and the material of the piston 21 and is either specified by the manufacturer or empirically determined and is in the value memory 33 of
  • Control device 30 deposited.
  • step S3 If the interrogation in step S3, a negative result, ie the stationary surface temperature T_OBK_STAT of the piston 21 is below the said threshold value T_OBK_SW, a cooling of the piston 21 is not necessary at this time and the process branched optionally after a specified ⁇ given waiting time period T_WAIT- back to step S2. But has the stationary surface temperature T_OBK the piston 21 reaches the threshold T_OBK_SW or he is lying over it, a cooling of the piston 21 is necessary and in an after ⁇ step S4 is turned on via corresponding electrical signals of the controller 30, the lube oil pump 12 and the piston spray nozzle 15 switched into an open position, so that lubricating oil 11 is injected onto the underside of the piston 21.
  • the lubricating oil 11 carries off a part of the heat present at the piston 21 and the temperature at the piston 21 decreases. Since the surface temperature T_OBK on the piston 21 changes during operation of the reciprocating internal combustion engine 20 and active lube ⁇ lanspritzung the piston 21, in a step S5, the stationary piston surface temperature T_OBK_STAT depending on the sprayed amount of lubricating oil 11 per cycle and the speed N of the reciprocating internal combustion engine 20 with a temperature value delta_T_ ⁇ L corrected:
  • T_OBK_STAT_KORR T_OBK_STAT - delta_T_ ⁇ L
  • the amount of lubricating oil 11, with which the piston 21 is injected is controlled by means of a regulator, preferably by means of a PID controller, so that the deviation between the value of the current surface temperature T_OBK of the piston 21 and the just allowable value for the temperature, ie the threshold T_OBK_SW, which assumes zero (step S6).
  • the lubricating oil pressure is increased in addition to the amount required via the controller. This is done by appropriate control of the lubricating oil pump 12 by means of control signals of the control device 30.
  • the piston surface temperature T_OBK needs about 2-20 seconds, depending on the rotational speed N, until the newly set temperature is reached.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Kolbens (21) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (20), die ein Schmierölsystem zur Schmierung und Kühlung aufweist, mit mindestens einer in einem Kurbelgehäuse (22) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Kolbenspritzdüse (15) der mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schmierölpumpe (12) bei Bedarf Schmieröl (11) aus dem Schmierölsystem zugeführt wird. Die mindestens eine Kolbenspritzdüse (15) weist mindestens eine Austrittsöffnung (16) für das Schmieröl (11) auf, wobei die mindestens eine Austrittsöffnung (16) derart ausgerichtet ist, dass Schmieröl (11) auf die Unterseite des Kolbens (21) gespritzt wird. Die dem Kolben (21) zugeführte Menge an Schmieröl (11) wird in Abhängigkeit der aktuellen Oberflächentemperatur (T_OBK) des Kolbens (21) geregelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Kolbens einer HubkoIbenbrennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei den Kolben über eine Düseneinrichtung unter Druck stehendes Schmieröl zugeführt wird.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen wird im Zylinder die in Kraftstoff gebundene chemische Energie in Wärme umgewandelt. Ein Teil dieser Wärme wird vom Kolben in mechanische Arbeit um¬ gewandelt und diese über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen. Der Rest dieser Wärme wird teils mittels des Abgases abgeführt und teils durch Konvektion und Strahlung auf die den Brennraum begrenzenden Teile der Brennkraftmaschine übertragen. Insbesondere sind die Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, dabei in erster Linie der Kolbenboden als bewegliche Wand des Brennraumes sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Bei hoch belasteten, modernen Brennkraftmaschinen mit immer steigenden spezifischen Leistungen, beispielsweise durch Downsizing und Aufladung kommt man dann in der Regel nicht mehr ohne besondere Kühlung der Kolben aus, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Zur Reduzierung der Kolbentemperatur ist es bekannt, eine Kühlfläche des Kolbens, meist die Unterseite des Kolbenbodens mittels des Schmieröls aus dem Schmierölkreislauf anzuspritzen. Hierzu sind im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine sog.
Kolbenspritzdüsen gehäusefest angeordnet und mit dem
Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Der aus den Kolbenspritzdüsen austretende Schmierölstrahl ist auf die Unterseite des Kolbenbodens gerichtet, so dass das Schmieröl Wärme aufnimmt und damit diese Stelle gekühlt wird. Ein solches Vorgehen wird im Allgemeinen als Anspritzkühlung bezeichnet. Werden elektrisch schaltbare Kolbenspritzdüsen zur Anspritzkühlung verwendet, so werden diese in der Regel erst bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Brennkraftmaschinentemperatur zum Anspritzen des Kolbens freigegeben. Die abgespritzte Menge an Schmieröl ist dabei abhängig von Last und Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine . Die dynamische Än¬ derung der Temperatur auf der Kolbenoberfläche, insbesondere am Kolbenboden wird dabei nicht berücksichtigt. Dies führt dazu, dass bei Wiedereinsetzen der Kraftstoffeinspritzung nach einer Schubabschaltungsphase die Kolbenoberfläche sofort durch den Kraftstoff gekühlt wird, bevor sie die maximal erlaubte Tem¬ peratur erreicht hat. Somit wird vorhandenes Potential hin¬ sichtlich Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen nicht vollständig ausgeschöpft. Auch wird bei bekannten Systemen der Schmieröldruck durch entsprechende Ansteuerung der
Schmierölpumpe bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine erhöht, ohne dass dabei die dynamische Temperaturänderung der Kolbenoberfläche berücksichtigt wird. Die DE 10 2004 017 909 AI offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung von zumindest einem Kolben einer Brennkraftmaschine mittels einer Schmierölpumpe, welche Öl aus dem Schmierölkreislauf jeden Kolben über jeweils eine, eine Austrittsöffnung aufweisende Zuführleitung zumindest bodenseitig zuführt, wobei die Ölzufuhr über zumindest ein Ventil erfolgt. Hierbei wird entweder eine Schmierölpumpe oder ein Magnetventil lastabhängig gesteuert. Eine Steuereinheit gewährleistet, dass die Schmierölpumpe zur Bereitstellung eines variablen Druckes im Schmierölkreislauf bei unterschiedlichen Betriebszuständen lastabhängig geregelt wird, wobei ein Rückschlagventil eine Zuführung von Schmieröl erst ab einem definierten Druck im Schmierölkreislauf zulässt. Bei einer anderen Variante ist das Ventil ein steuerbares Magnetventil, welches von der Steuereinheit lastabhängig gesteuert wird. Zudem kann das Magnetventil zusätzlich in Abhängigkeit von der Mo- tortemperatur, der Motordrehzahl und/oder der Schmieröltemperatur angesteuert werden. Aus der DE 10 2005 006 054 AI ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenmaschine bekannt, welche ein Schaltventil zur Steuerung der Ölmenge zur Kühlung des Kolbens aufweist, wobei das
Schaltventil die Vorrichtung zur Kühlung des Kolbens be- triebspunktabhängig steuert. Das Schaltventil wird von einem Steuergerät angesteuert, welches Betriebsparameter wie z. B. die Drehzahl, die Last, die Kühlmitteltemperatur, die Öltemperatur und/oder die hydraulische Anforderung als Eingangswert erhält. Hieraus errechnet das Steuergerät die Öffnungszeiten des Schaltventils. Aus den Betriebsparametern ermittelt das
Steuergerät den Kühlbedarf und veranlasst das Schaltventil intermittierend zu öffnen. Allerdings schließt das Schaltventil nicht bei höchster Belastung des Kolbens, vielmehr ist das Schaltventil dauernd geöffnet. Das Schaltventil wird ge- schlössen, wenn an einer anderen Stelle der Hubkolbenmaschine ein vorübergehend erhöhter Ölbedarf vom Steuergerät für ein hyd¬ raulisch zu betätigendes Element, beispielsweise für einen Nockenwellenversteller festgestellt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, das bzw. die auf effektive Weise eine bedarfsgerechte Kühlung eines Kolbens einer Hubkolbenbrenn- kraftmaschine gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den ab¬ hängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Kühlen eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, die ein Schmierölsystem zur Schmierung und Kühlung aufweist, mit mindestens einer in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Kolbenspritzdüse der mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schmierölpumpe bei Bedarf Schmieröl aus dem Schmierölsystem zugeführt wird. Die mindestens eine Kol¬ benspritzdüse weist mindestens eine Austrittsöffnung für das Schmieröl auf, wobei die mindestens eine Austrittsöffnung derart ausgerichtet ist, dass Schmieröl auf die Unterseite des Kolbens gespritzt wird. Die dem Kolben zugeführte Menge an Schmieröl wird in Abhängigkeit der aktuellen Oberflächentemperatur des Kolbens geregelt .
Durch Berücksichtigung der während des Betriebes der Hubkol- benbrennkraftmaschine auftretenden Änderung der Temperatur der Kolbenoberfläche, auch als sogenannte dynamische Kolbenober¬ flächentemperatur bezeichnet, kann die Anspritzung des Kolbens mit Schmieröl und damit die Kühlung des Kolbens derart erfolgen, dass er mit maximal erlaubter Temperatur betrieben werden kann, ohne dass einerseits thermische Schäden am Kolben auftreten und anderseits ein wirtschaftlicher Betrieb hinsichtlich hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine stationäre Oberflächentemperatur des Kolbens mit Hilfe einer Modellbildung auf der Basis von Betriebsparametern der Hubkolbenbrenn- kraftmaschine ermittelt. Dadurch kann auf einen Temperatursensor verzichtet werden, welcher ohnehin nicht die Temperatur des
Kolbens direkt erfassen könnte, sondern nur mittelbar an einem stationären Motorteil in der Nähe des Kolbens, was wiederum ungenaue Ergebnisse liefern würde. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Betriebsparameter eine Drehzahl, ein induziertes Drehmoment, eine Kühlmitteltemperatur der Hubkolbenbrennkraftmaschine, sowie eine Erwärmungszeit¬ konstante herangezogen werden, wobei letztere in Abhängigkeit der Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewählt ist. Da diese Betriebsparameter ohnehin in der Steuerungseinrichtung für andere Steuer- und/oder Regelungsstrategien vorhanden sind, sind, ergibt sich ein einfaches Verfahren ohne den Bedarf von zusätzlicher Sensorik. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgastalung des Verfahrens wird dem Kolben nur Schmieröl zur Kühlung zugeführt, wenn die stationäre Oberflächentemperatur des Kolbens einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. So kann ansonsten aufzuwendende Energie für die Schmierölpumpe und der Kolbenspritzdüse in Betriebspunkten geringer Last und/oder Drehzahl der Hubkol- benbrennkraftmaschine vermieden werden. Durch Verwendung eines Korrekturtermes , der abhängig von der abgespritzten Menge an Schmieröl pro Zyklus und der Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewählt ist, wird die stationäre Oberflächentemperatur des Kolbens korrigiert, wodurch dynamische Einflüsse berücksichtigt werden und eine genaue Dosierung hinsichtlich Menge und Druck des abzuspritzenden Schmieröls ermöglicht wird.
Ein besonders effektives Verfahren ergibt sich, wenn die Menge an Schmieröl, mit welcher der Kolben angespritzt wird, mittels eines Reglers derart geregelt wird, dass die Abweichung zwischen dem Wert der aktuellen Oberflächentemperatur des Kolbens und dem Schwellenwert den Wert Null annimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird dann, wenn die geforderte Menge an Schmieröl pro Zyklus bei hoher Drehzahl und hoher Last der Hubkolbenbrennkraftmaschine beim aktuellen Schmieröldruck nicht realisiert werden kann, um den Schwellenwert einzuhalten, über den Regler zusätzlich der Schmieröldruck passend zum Mengenbedarf angehoben wird. So kann eine optimale Kühlung des Kolbens erreicht werden, ohne dass dabei der Schwellenwert überschritten wird. Wird eine Kolbenspritzdüse mit mehreren Austrittsöffnungen verwendet, so ist es vorteilhaft, dass unterschiedliche
Teilbereiche der Unterseite des Kolbens angespritzt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr von der Kolbenoberfläche und sogenannte hotspots können vermieden werden.
Sollen Kolben gekühlt werden, welche an deren Unterseite Kühlkanäle aufweisen, die in das Innere der Kolben führen, so ist es vorteilhaft dass die Austrittsöffnungen der Kolbenspritzdüsen derart ausgerichtet sind, dass Schmieröl auf und in die Eingänge dieser Kühlkanäle gespritzt wird. So ergibt sich eine sehr effektive Kühlung des Kolbens
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine Vorrichtung zur Kühlung eines Kolbens einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine und
Figur 2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben der Vorrichtung. Die Figur 1 zeigt in Prinzipdarstellung eine Vorrichtung 10 zur Kühlung eines innerhalb eines Zylinders angeordneten Kolbens 21 einer nur teilweise dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine 20. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 weist ein Kurbelgehäuse 22 auf, das eine Kurbelwelle 23 aufnimmt und auch eine Pleu- elstange 24, welche mit dem Kolben 21 gekoppelt ist, so dass die Auf- und Abbewegung des Kolbens 21 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 23 umgewandelt wird.
Das Kurbelgehäuse 22 ist teilweise mit Schmieröl 11, meist als Motoröl bezeichnet, befüllt. Eine elektrisch angetriebene Schmierölpumpe 12 saugt mittels einer Saugleitung 13 das Schmieröl 11 aus einer, einen Teil des Kurbelgehäuses 22 bildenden Ölwanne 25 an und versorgt über eine an der Druckseite der Schmierölpumpe 12 angeschlossene Zuführleitung 14 den Kolben 21 zwecks Kühlung mit Schmieröl 11. Hierzu ist in der Zu¬ führleitung 14 eine als Schaltventil wirkende, elektrisch betätigbare Kolbenspritzdüse 15 angeordnet. Mittels der Kol¬ benspritzdüse 15 kann der Schmierölfluss in der Zuführleitung 14 freigegeben oder unterbunden werden. Die Kolbenspritzdüse 15 ist dabei ortsfest innerhalb des Kurbelgehäuses 22 derart ange¬ ordnet, dass bei der Bewegung des Kolbens 21 zwischen den beiden Extremstellungen - oberer Totpunkt und unterer Totpunkt - Schmieröl 11 bei aktivierter Schmierölpumpe und in Offenstellung befindlicher Kolbenspritzdüse 15 Schmieröl auf die Unterseite des Kolbenbodens gespritzt wird. Die Kolbenspritzdüse weist hierzu eine Austrittsöffnung 16 für das Schmieröl 11 auf. Zur Erhöhung der Kühlwirkung kann die Kolbenspritzdüse 15 auch mehrere, insbesondere zwei Austrittsöffnungen 16 aufweisen, so dass die einzelnen Spritzstrahlen aus den einzelnen Austrittsöffnungen 16 verschiedene Bereiche der Unterseite des Kolbenbodens erreichen. Weist der Kolben 21 Kühlkanäle auf, so kann vorgesehen sein, dass die oder mehrere der Austritts¬ öffnungen 16 der Kolbenspritzdüse 15 unmittelbar auf den Eingang eines solchen Kühlkanales gerichtet ist. Dadurch kann die Kühlwirkung weiter erhöht werden. Zum Steuern der Schmierölmenge und damit zur Steuerung der abgeführten Wärmemenge ist die Schmierölpumpe 12 als sog. vollvariable Schmierölpumpe aus¬ gestaltet, deren Druck annähernd beliebig geregelt bzw. ge¬ steuert werden kann.
In der Figur 1 ist nur ein einziger Kolben 21 der Hubkolben- brennkraftmaschine 20 dargestellt. Die Hubkolbenbrennkraft- maschine 20 kann aber auch mehrere Zylinder mit je einem Kolben aufweisen, wobei für jeden Kolben eine eigene Kolbenspritzdüse vorgesehen ist, die vorzugsweise von einer einzigen Schmierölpumpe versorgt werden. Es kann aber auch jeder der Kolben- spritzdüsen eine eigene Schmierölpumpe zugeordnet sein.
Zur Steuerung und oder Regelung der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 ist eine elektronische Steuerungseinrichtung (ECU, electronic control unit) 30 vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung 30 enthält eine Recheneinheit (Prozessor) 31, die mit einem
Programmspeicher 32 und einem Wertespeicher 33 (Datenspeicher) gekoppelt ist. Die Recheneinheit 31, der Programmspeicher 32 und der Wertespeicher 33 können jeweils ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente umfassen. Alternativ können diese Komponenten teilweise oder vollständig in einem einzigen mikroelektronischen Bauteil integriert sein. In dem Programmspeicher 32 bzw. den Wertespeicher 33 sind Programme bzw. Werte abgespeichert, die für den Betrieb der Hubkolbenbrenn- kraftmaschine 20 nötig sind. Insbesondere ist in dem Pro¬ grammspeicher 32 ein Verfahren FKT_KÜHL zum Kühlen des Kolbens 21 implementiert, das während des Betriebes der Hubkolben- brennkraftmaschine 20 von der Recheneinheit 31 abgearbeitet wird, wie es anhand der Beschreibung von Figur 2 noch näher erläutert wird.
Der Steuerungseinrichtung 30 sind mehrere Sensoren zugeordnet, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch davon abgeleitete Größen. Die Steuerungseinrichtung 30 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen und/oder der Betriebsgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern von Stellgliedern mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
Die Sensoren sind beispielsweise ein Luftmassenmesser oder ein Saugrohrdrucksensor 26, der ein Lastsignal L liefert, ein Temperatursensor 27, der ein die Temperatur der Hubkolben- brennkraftmaschine 20 repräsentierendes Signal, in der Regel die Kühlmitteltemperatur TKW der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 liefert und ein Kurbelwellenwinkelsensor 28, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, den dann eine Drehzahl N zugeordnet wird. Die Signale von weiteren, nicht explizit dargestellten Sensoren, welche für den Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 und seiner Nebenaggregate nötig sind, sind allgemein mit dem Bezugszeichen ES bezeichnet.
Die Stellglieder sind beispielsweise die elektrisch ansteuerbare Schmierölpumpe 12 und die elektrisch ansteuerbare Kolben¬ spritzdüse 15. Die Signale für weitere, nicht explizit dar¬ gestellte Stellglieder, die zum Betreiben der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 und seiner Nebenaggregate nötig sind, sind allgemein mit dem Bezugszeichen AS bezeichnet.
Die Figur 2 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms ein Verfahren FKT KÜHL zum Kühlen eines Kolbens 21 +einer Hubkolbenbrenn- kraftmaschine 20, das von der Steuerungseinrichtung 30 ausgeführt wird.
Das Verfahren wird in einem Schritt Sl gestartet, wobei dieser Zeitpunkt zeitnah zum Start der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 erfolgt .
In einem Schritt S2 wird eine stationäre Kolbenoberflächentemperatur T_OBK_STAT ermittelt. Dies geschieht vorzugsweise mittels einer Modellbildung unter Heranziehung der Drehzahl N der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20, dem induzierten Drehmoment der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 und der Kühlmitteltemperatur TKW der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20. Diese Parameter sind ohnehin in der Steuerungseinrichtung 30 für andere Steuer- und/oder Regelungsstrategien vorhanden. Des Weiteren wird bei der Ermittlung der stationären Kolbenoberflächentemperatur T_OBK_STAT noch eine Erwärmungszeitkonstante ZK mit einbezogen, welche abhängig von der Drehzahl N in dem Wertespeicher 33 der
Steuerungseinrichtung 30 abgelegt ist.
Es gilt: dT_OBK/dt = (T_OBK_STAT - T_OBK) /ZK
In einem Schritt S3 wird geprüft, ob die stationäre Oberflä¬ chentemperatur T_OBK_STAT des Kolbens 21 einen vorgegebenen Schwellenwert T_OBK_SW überschreitet. Dieser Schwellenwert T_OBK_SW gibt den maximal zulässigen Temperaturwert wieder, der nicht überschritten werden darf, da ansonsten Schädigungen oder gar Zerstörungen des Kolbens 21 zu erwarten sind. Er ist in erster Linie abhängig von der konstruktiven Gestaltung und dem Material des Kolbens 21 und wird entweder vom Hersteller vorgegeben oder empirisch ermittelt und ist in dem Wertespeicher 33 der
Steuerungseinrichtung 30 hinterlegt.
Ergibt die Abfrage im Schritt S3 ein negatives Ergebnis, d.h. die stationäre Oberflächentemperatur T_OBK_STAT des Kolbens 21 liegt unterhalb des genannten Schwellenwertes T_OBK_SW, so ist zu diesem Zeitpunkt eine Kühlung des Kolbens 21 nicht nötig und das Verfahren verzweigt- gegebenenfalls nach Ablauf einer vorge¬ gebenen Wartezeitdauer T_WAIT- zu dem Schritt S2 zurück. Hat aber die stationäre Oberflächentemperatur T_OBK des Kolbens 21 den Schwellenwert T_OBK_SW erreicht oder liegt er darüber, so ist eine Kühlung des Kolbens 21 notwendig und in einem nach¬ folgenden Schritt S4 wird über entsprechende elektrische Signale der Steuerungseinrichtung 30 die Schmierölpumpe 12 eingeschaltet und die Kolbenspritzdüse 15 in eine Offenstellung geschaltet, so dass Schmieröl 11 auf die Unterseite des Kolbens 21 gespritzt wird. Dadurch führt das Schmieröl 11 einen Teil der am Kolben 21 vorhanden Wärme ab und die Temperatur am Kolben 21 sinkt. Da sich die Oberflächentemperatur T_OBK am Kolben 21 während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 und durch aktive Schmierölanspritzung des Kolbens 21 ändert, wird im einen Schritt S5 die stationäre Kolbenoberflächentemperatur T_OBK_STAT abhängig von der abgespritzten Menge an Schmieröl 11 pro Zyklus und der Drehzahl N der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 mit einem Temperaturwert delta_T_ÖL korrigiert:
T_OBK_STAT_KORR = T_OBK_STAT - delta_T_ÖL
Die Menge an Schmieröl 11, mit welcher der Kolben 21 angespritzt wird, wird mittels eines Reglers, vorzugsweise mittels eines PID-Reglers geregelt, damit die Abweichung zwischen dem Wert der aktuellen Oberflächentemperatur T_OBK des Kolbens 21 und dem gerade noch zulässigen Wert für die Temperatur, d.h. dem Schwellenwert T_OBK_SW, den Wert Null annimmt (Schritt S6) .
Wenn die geforderte Menge an Schmieröl 11 pro Zyklus bei hoher Drehzahl N und hoher Last L der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 beim aktuellen Schmieröldruck nicht realisiert werden kann, um den Schwellenwert T_OBK_SW einzuhalten, wird über den Regler zusätzlich der Schmieröldruck passend zum Mengenbedarf angehoben. Dies geschieht durch entsprechende Ansteuerung der Schmierölpumpe 12 mittels Steuersignalen der Steuerungseinrichtung 30.
Bei einem Lastwechsel der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 braucht die Kolbenoberflächentemperatur T_OBK je nach Drehzahl N etwa 2-20 Sekunden, bis sich die neu eingestellte Temperatur ein- stellt. Bezugs zeichen- /Begriffsliste
10 Vorrichtung zur Kühlung des Kolbens
11 Schmieröl
12 elektrisch angetriebene Schmierölpumpe
13 Saugleitung
14 Zuführleitung
15 Kolbenspritzdüse
16 Austrittsöffnung
20 Hubkolbenbrennkraftmaschine
21 Kolben
22 Kurbelgehäuse
23 Kurbelwelle
24 Pleuelstange
25 Ölwanne
26 Saugrohrdrucksensor/Luftmassenmesser
27 Temperatursensor
28 Kurbelwellenwinkelsensor
30 Steuerungseinrichtung
31 Recheneinheit, Prozessor
32 Programmspeicher
33 Datenspeicher, Wertespeicher
AS Ausgangssignale
ES Eingangssignale
L Lastsignal
N Drehzahl
FKT_KÜHL Funktion zum Kühlen der Kolben
TKW Kühlmitteltemperatur
S1-S6 Verfahrensschritt
T OBK Oberflächentemperatur des Kolbens T OBK S AT stationäre Oberflächentemperatur des Kolben
T_OBK_SW Schwellenwert für Oberflächentemperatur des
Kolbens
delta_T_ÖL Korrekturterm
ZK Zeitkonstante

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen eines Kolbens (21) einer Hubkolben- brennkraftmaschine (20), die ein Schmierölsystem zur Schmierung und Kühlung aufweist, mit mindestens einer in einem Kurbelgehäuse (22) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Kolbenspritzdüse (15) der mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schmierölpumpe (12) bei Bedarf
Schmieröl (11) aus dem Schmierölsystem zugeführt wird und die mindestens eine Kolbenspritzdüse (15) mindestens eine Aus¬ trittsöffnung (16) für das Schmieröl (11) aufweist, wobei die mindestens eine Austrittsöffnung (16) derart ausgerichtet ist, dass Schmieröl (11) auf die Unterseite des Kolbens (21) gespritzt wird, und die dem Kolben (21) zugeführte Menge an Schmieröl (11) in Abhängigkeit der aktuellen Oberflächentemperatur (T_OBK) des Kolbens (21) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine stationäre Oberflächentemperatur (T_OBK_STAT) des Kolbens (21) mit Hilfe einer Modellbildung auf der Basis von Betriebspa¬ rametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine Drehzahl (N) , ein induzierte Drehmoment (MDi) , eine Kühlmitteltemperatur (TKW) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20), sowie eine Erwärmungszeitkonstante (ZK) herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungszeitkonstante (ZK) in Abhängigkeit der Drehzahl (N) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) gewählt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kolben (21) Schmieröl (11) zugeführt wird, wenn die stationäre Oberflächentemperatur (T_OBK_STAT) des Kolbens (21) einen vorgegebenen Schwellenwert (T_OBK_SW) überschreitet .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Oberflächentemperatur (T_OBK_STAT) des Kolbens (21) abhängig von der abgespritzten Menge an Schmieröl (11) pro Zyklus und der Drehzahl (N) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) mittels eines Temperaturwertes (delta_T_ÖL) korrigiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Schmieröl (11), mit welcher der Kolben (21) angespritzt wird, wird mittels eines Reglers geregelt wird, so dass die Abweichung zwischen dem Wert der aktuellen Oberflächentemperatur (T_OBK) des Kolbens (21) und dem Schwellenwert (T_OBK_SW) den Wert Null annimmt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die geforderte Menge an Schmieröl (11) pro Zyklus bei hoher Drehzahl (N) und hoher Last (L) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) beim aktuellen Schmieröldruck nicht realisiert werden kann, um den Schwellenwert (T_OBK_SW) einzuhalten, über den Regler zusätzlich der Schmieröldruck passend zum Mengenbedarf angehoben wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kolbenspritzdüse (15) mit mehreren Austrittsöffnungen (16) unterschiedliche Teilbereiche der Unterseite des Kolbens angespritzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Teilbereiche Eingänge von Kühlkanälen an der
Unterseite des Kolbens (21) darstellen.
11. Vorrichtung zum Kühlen eines Kolbens (21) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (20), die ein Schmierölsystem zur
Schmierung und Kühlung aufweist, mit mindestens einer in einem Kurbelgehäuse (22) der Hubkolbenbrennkraftmaschine (20) an¬ geordneten, elektrisch ansteuerbaren Kolbenspritzdüse (15) der mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schmierölpumpe (12) bei Bedarf Schmieröl (11) aus dem Schmierölsystem zugeführt wird und die mindestens eine Kolbenspritzdüse (15) mindestens eine
Austrittsöffnung (16) für das Schmieröl (11) aufweist, und die mindestens eine Austrittsöffnung (16) derart ausgerichtet ist, dass Schmieröl (11) auf die Unterseite des Kolbens (21) gespritzt wird, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 durchzuführen.
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