DE102016218171A1

DE102016218171A1 - Motor einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine und Verfahren zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung beim Betrieb des Motors

Info

Publication number: DE102016218171A1
Application number: DE102016218171.8A
Authority: DE
Inventors: Santiago Mancho; Miroslav Marinovic
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-22
Also published as: WO2018054524A1

Abstract

Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, mit einer Anzahl von Zylindern und in diesen angeordneten Kolben, wobei ein Kolben zum Antrieb einer Kurbelwelle des Motors über eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung an einer mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuelstange mittels eines Kolbenbolzens in einem dem Kolben zugewandten Ende angeordneten Pleuelauge der Pleuelstange gelagert ist, wobei der Kolben einen vom Pleuelauge abgewandten Kolbenboden-Abschnitt und einen dem Pleuelauge zugewandten Kolbennaben-Abschnitt aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolben mindestens eine Kolbennabe mit einer praktisch hohlzylindrisch geformten Nabeninnenoberfläche und einen Kolbenbodenkühlraum aufweist, und eine Schmiervorrichtung zum Schmieren der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung vorgesehen ist, die aufweist: mindestens eine auf der Nabeninnenoberfläche angeordnete Austrittsöffnung sowie mindestens einen den Kolbenbodenkühlraum und die Austrittsöffnung verbindenden und außerhalb einer Bewegungsebene der Pleuelstange angeordneten Ölrücklaufkanal, wobei die Schmiervorrichtung ausgebildet ist, zum Zuführen von Schmiermittel aus dem Kolbenbodenkühlraum über den mindestens einen Ölrücklaufkanal, weiterhin über die Austrittsöffnung und weiterhin über einen Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge entlang der Außenoberfläche des Kolbenbolzens in eine sich zwischen Pleuelauge und Kolbenbolzen bildende Schmierzone.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, mit einer Anzahl von Zylindern und in diesen angeordneten Kolben, wobei ein Kolben zum Antrieb einer Kurbelwelle des Motors über eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung an einer mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuelstange mittels eines Kolbenbolzens in einem dem Kolben zugewandten Ende angeordneten Pleuelauge der Pleuelstange gelagert ist, wobei der Kolben einen vom Pleuelauge abgewandten Kolbenboden-Abschnitt und einen dem Pleuelauge zugewandten Kolbennaben-Abschnitt aufweist.
Ein Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Hubkolbenmotor, basiert auf der Umwandlung einer von einer Expansion hervorgerufenen Hubbewegung in eine rotatorische Antriebsbewegung. Die Expansion wird in der Regel durch eine Verbrennung hervorgerufen. Auf diese Weise kann chemische Energie eines Kraftstoffes in mechanische Energie umgewandelt werden. So nutzen die meisten Motoren Flüssigkraftstoffe; beispielsweise nutzt ein Dieselmotor Dieselkraftstoffe oder ein Benzinmotor Benzinkraftstoffe. Gasmotoren nutzen zur Verbrennung einen gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, Biogas oder Sondergas wie Deponiegas oder Klärgas. Zu den Anwendungsgebieten von Motoren, wie z.B. Diesel- oder Benzinmotoren oder Gasmotoren, gehört neben Kraftfahrzeugen auch die Strom- und Wärmeerzeugung, insbesondere in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung oder Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
Durch stetig steigende Anforderungen an Motorleistung, Effizienz und kompakte Bauweise bei Motoren, insbesondere Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotoren, steigen gleichzeitig die Motorrandbedingungen. Unter anderem durch höher werdende, in den Zylindern der Motoren wirkende Mitteldrücke, ergeben sich gesteigerte Belastungen auf die Motorkomponenten, insbesondere Kolben, Pleuel, Kolbenbolzen und Kurbelwelle.
Insbesondere die Kolben- und Pleuelbolzenlagerung zur drehbeweglichen Verbindung von Pleuelstange und Kolben unterliegt hohen Beschleunigungen und Kräften. Eine effektive Schmierung der Stellen, an denen eine Relativbewegung zwischen Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange stattfindet, ist daher von großer Bedeutung. Vorrichtungen zum Schmieren von Kolben- und Pleuelbolzenlagerungen sind allgemein bekannt.
Allgemein werden Kolben- und Pleuelbolzenlagerungen insbesondere zur drehbeweglichen Verbindung eines Kolbens mit einer Pleuelstange eingesetzt, insbesondere zur Umwandlung einer Hubbewegung in eine rotatorische Bewegung, insbesondere bei einem Verbrennungsmotor. Grundsätzlich ist eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung der eingangs genannten Art jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt, sondern können in weiteren technischen Gebieten zur Herstellung einer drehbewegbaren Verbindung zwischen Bauteilen insbesondere in Maschinen, Pumpen, Verdichtern und Anlagen, beispielsweise bei Gelenken, Kupplungen und dergleichen eingesetzt werden.
DE 196 47 735 C1 offenbart eine Vorrichtung für Brennkraftmaschinen zum Schmieren eines kleinen Pleuelauges mit Kühlöl, das aus dem Schmier-Ölkreislauf der Brennkraftmaschine in eine Aufnahmebohrung des Pleuelauges und in einen im Kolbenboden umlaufenden ringförmigen Kühlraum eines in der Aufnahmebohrung des kleinen Pleuelauges gelagerten Kolbens gefördert wird, wobei der ringförmige Kühlraum mindestens eine Zulaufbohrung und mindestens eine Ablaufbohrung aufweist und wobei in dem Pleuelauge mindestens eine radial verlaufende Ölzufuhrbohrung vorgesehen ist, die mit Schmieröltaschen in Form von Aussparungen in der Wand der Aufnahmebohrung in Verbindung steht.
Dieser grundsätzlich vorteilhafte Ansatz zeichnet sich durch die Versorgung einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere eines kleinen Pleuelauges, mit Schmieröl aus, welches sich zur Kühlung des Kolbens bereits im oder am Kolben befindet und somit zum Zweck der Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung zusätzlich genutzt wird.
Das Konzept ist noch verbesserungswürdig hinsichtlich der Stabilität des Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere der Pleuelstange, und der Effektivität der Schmierung. Dies trifft insbesondere auf Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotoren zu. Vor allem bei Gasmotoren kann aufgrund höherer erreichbarer Leistungsdichten, der gasförmige Kraftstoff höher verdichtet werden und es kann die auf die Motorkomponenten wirkende Belastung steigen. Aufgrund steigender Anforderungen an Emissionskonformität sowie durch gestiegene Leistungsanforderungen, und damit verbunden, durch weiter steigende Zünddrücken nimmt auch eine Bauteilbelastung am Motor zu; dies betrifft zuerst und massgeblich die Kolben- und Pleuelbolzenlagerung.
Wünschenswert wäre, eine konstruktiv bedingte Schwächung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere der Pleuelstange, zu mindern und eine möglichst effektive Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung zu ermöglichen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in verbesserter Weise einen Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, anzugeben, insbesondere derart, dass dessen Kolbenbolzenschmierung ein hohes Maß an Effektivität und Zuverlässigkeit ermöglicht und gleichzeitig die konstruktiv bedingte Schwächung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere der Pleuelstange, möglichst gering hält.
Die Aufgabe betreffend die Vorrichtung wird durch die Erfindung mit einem Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Motor einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor. Grundsätzlich ist die Erfindung umsetzbar bei allen Arten von Motoren mit einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere aber nicht ausschließlich bei einem Hubkolbenmotor; d.h. grundsätzlich für alle Motoren mit beliebigem Brennverfahren unabhängig von dem zum Einsatz kommenden Brennstoff. Der Motor hat eine Anzahl von Zylindern und in diesen angeordnete Kolben. Ein Kolben ist zum Antrieb einer Kurbelwelle des Motors über eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung an einer mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuelstange mittels eines Kolbenbolzens in einem dem Kolben zugewandten Ende angeordneten Pleuelauge der Pleuelstange gelagert. Der Kolben weist einen vom Pleuelauge abgewandten Kolbenboden-Abschnitt und einen dem Pleuelauge zugewandten Kolbennaben-Abschnitt auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim Motor der Kolben mindestens eine Kolbennabe mit einer praktisch hohlzylindrisch geformten Nabeninnenoberfläche und einen Kolbenbodenkühlraum aufweist, und eine Schmiervorrichtung zum Schmieren der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung vorgesehen ist, die aufweist: mindestens eine auf der Nabeninnenoberfläche angeordnete Austrittsöffnung sowie mindestens einen den Kolbenbodenkühlraum und die Austrittsöffnung verbindenden und außerhalb einer Bewegungsebene der Pleuelstange angeordneten Ölrücklaufkanal, wobei die Schmiervorrichtung ausgebildet ist, zum Zuführen von Schmiermittel aus dem Kolbenbodenkühlraum über den mindestens einen Ölrücklaufkanal, weiterhin über die Austrittsöffnung und weiterhin über einen Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge entlang der Außenoberfläche des Kolbenbolzens in eine sich zwischen Pleuelauge und Kolbenbolzen bildende Schmierzone.
Eine Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung kann über die vorhandene Kolbenschmierung ermöglicht werden. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Förderung des Schmiermittels auf eine aktive Fördereinrichtung, beispielsweise eine Ölpumpe, verzichtet werden kann, wenn durch die oszillierende Hubbewegung des Kolbens dieses Schmiermittel in geeigneter Weise beschleunigt und geführt werden kann. Konkret kann das Schmiermittel über das Führen und Speichern von Schmiermittel in Taschen und Kanälen im und am Kolben in geeigneter Weise beschleunigt, umgelenkt und somit in die Schmierzone geführt werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass wenn eine Zuführung von Schmieröl in die Schmierzone zwischen Außenoberfläche des Kolbenbolzens und Innenoberfläche des Pleuelauges durch radial zum Pleuelauge verlaufende Öffnungen erfolgt, es zu einer konstruktiv bedingten, mechanischen Schwächung der Pleuelstange kommen kann. Dies ist auf die Herabsetzung der Festigkeit zurückzuführen, welche sich in der Pleuelstange im Bereich des Pleuelauges durch die radial zum Pleuelauge verlaufende Öffnungen ergibt, wobei das Pleuelauge insbesondere bei Zugbelastung der Pleuelstange stark beansprucht wird.
So hat die Erfindung nun weiter erkannt, dass es vorteilhaft ist, die Zuführung von Schmiermittel in die Schmierzone nicht in radialer Richtung durch die Pleuelstange, sondern praktisch axial vorzunehmen, d. h. parallel zur Kolbenbolzenachse in die Schmierzone zwischen Außenoberfläche des Kolbenbolzens und Innenoberfläche des Pleuelauges.
Dieser Effekt kann verstärkt werden durch mindestens eine in analoger Weise an der Innenoberfläche des Pleuelauges angeordnete Pleuelaugentasche, welche neben dem Speichern und Führen von Schmiermittel weiterhin eine Sogwirkung erreicht, die durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens und des Pleuelauges in der Schmierzone zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge entsteht.
Insbesondere wird aufgrund der Beschleunigung von in einem Kolbenbodenkühlraum befindlichem Schmiermittel durch die Hubbewegung des Kolbens, Schmiermittel durch den mindestens einen Ölrücklaufkanal in einen Bereich zwischen Nabeninnenoberfläche der Kolbennabe und Außenoberfläche des Kolbenbolzens geführt. Von dort gelangt das Schmiermittel, weiter von der erzeugten Hubbewegung beschleunigt, in den Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge und schließlich in die Schmierzone zwischen Außenoberfläche des Kolbenbolzens und Innenoberfläche des Pleuelauges.
Das Konzept bietet vorzugsweise die Basis für eine in verbesserter Weise funktionierende Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, da aufgrund der Schmiermittelzuführung in die Schmierzone in axialer Richtung, eine auf der Hubbewegung des Kolbens basierende Beschleunigung und somit Beförderung des Schmiermittels ermöglicht wird, ohne die Pleuelstange, insbesondere den Randbereich der Pleuelstange im Bereich des Pleuelauges, durch Öffnungen bzw. Bohrungen mechanisch zu schwächen.
Weiter bietet das Konzept vorzugsweise die Grundlage für eine in verbesserter Weise funktionierende Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, da die Zuführung von Schmiermittel in die Schmierzone praktisch kontinuierlich erfolgt. Im Gegensatz dazu erfolgt im Stand der Technik, beispielsweise bei unter anderem eingangs erwähnten, ebenfalls auf der Beschleunigung der Hubbewegung basierenden Systemen, die Zuführung des im Kolben beschleunigten Schmiermittels durch eine oder mehrere radial zum Pleuelauge ausgerichtete Öffnungen in der Pleuelstange. Dies setzt voraus, dass der aus dem Kolben beschleunigte Schmiermittelstrahl fluchtend zu der radialen Öffnung in der Pleuelstange ausgerichtet ist, was jedoch aufgrund der oszillierenden Bewegung der Pleuelstange nur an einem Zeitpunkt bzw. einer Position während eines Hubzuklyus gewährleistet ist. Die dadurch hervorgerufenen Unterbrechungen können zwar im begrenzten Maße, beispielsweise durch die trichterförmige Ausbildung der Eintritte der radialen Öffnungen, kompensiert werden, führen jedoch mindestens zu einer unregelmäßigen Versorgung, wenn nicht sogar zu Unterbrechungen in der Versorgung der Schmierzone mit Schmiermittel während eines Hubzyklus.
Die Erfindung führt im Rahmen der Aufgabenstellung auch auf ein Verfahren zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung des Anspruchs 9.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung beim Betrieb eines Motors mit einer Anzahl von Zylindern werden die Vorteile der Vorrichtung vorteilhaft genutzt, insbesondere weil die Zuführung des Schmiermittels über einen Pfad außerhalb der Bewegungsebene der Pleuelstange erfolgt und somit keine Radialöffnungen in der Pleuelstange zum Pleuelauge hin vorgesehen werden müssen, welche zu einer mechanischen Schwächung der Pleuelstange führen würden.
Das beschleunigte Schmiermittel wird gemäß dem Konzept der Erfindung auf vorteilhafte Weise, insbesondere ohne eine aktive Fördereinrichtung, durch die Beschleunigung des Kolbens über die Ölrücklaufkanäle in Richtung der Schmierzone befördert.
Vorteilhaft ist auch die weitere Beförderung des Schmiermittels aus dem Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge in die Schmierzone. Dies basiert insbesondere auf der Sogwirkung durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens und des Pleuelauges in der Schmierzone und führt zu einem Ansaugen von Schmiermittel in die Schmierzone.
Insbesondere hat die Erfindung beim Verfahren erkannt, dass die beiden Mechanismen zur Förderung des Schmieröls, die Hubkolbenbeschleunigung und die Sogwirkung, durch die Vorrichtung in synergetischer Weise kombiniert werden können. Insbesondere findet im Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge ein Übergang von einer primär auf der Hubkolbenbeschleunigung basierenden Förderung zu einer primär auf der Sogwirkung basierenden Förderung statt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kolbenbolzen eine praktisch zylindrische Außenoberfläche aufweist, und in einer praktisch gemeinsamen Symmetrieachse des Pleuelauges und der Nabeninnenoberfläche angeordnet ist, und durch Pleuelauge und Nabeninnenoberfläche geführt ist. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass der Kolbenbolzen durch Kolbennaben und Pleuelauge geführt wird, und in dieser Stellung über einen Sicherungsring oder dergleichen Befestigungselement axial im Kolben fixiert wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Pleuelstange mindestens eine in Richtung der Schmierzone geöffnete Pleuelaugentasche zum Führen und Speichern von Schmiermittel aufweist. Diese Pleuelaugentasche ist vorzugsweise auf der Innenoberfläche des Pleuelauges axial mittig angeordnet, und erstreckt sich in tangentialer Richtung teilweise oder vollständig entlang des Umfangs. Durch eine derartige Tasche wird das Volumen der Schmierzone vergrößert, was wiederum einen positiven Einfluss auf die Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung hat, da die aufnehmbare Menge an Schmiermittel vergrößert wird, die Verteilung des Schmiermittels innerhalb der Schmierzone verbessert wird und die Sogwirkung, welche durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens und des Pleuelauges in der Schmierzone zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge entsteht, ebenfalls zunimmt. Auf diese Weise kann Schmiermittel, das nach dem Konzept der Erfindung über den Kolbenbodenkühlraum und den Ölrücklaufkanal in den Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge gelangt, in verbesserter Weise in die Schmierzone befördert werden.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kolben mindestens eine Kolbennabentasche zum Aufnehmen und Verteilen von Schmiermittel aufweist, welche an der mindestens einen Austrittsöffnung derart angeordnet ist, dass sie zu der angrenzenden Oberfläche des Kolbenbolzens und/oder der zum Pleuelauge gewandten Seite offen ist. Eine derartige Kolbennabentasche dient insbesondere der verbesserten, für die Versorgung der Schmierzone vorteilhaften Verteilung von aus der Austrittsöffnung austretendem Schmiermittel auf die Oberfläche des Kolbenbolzens und in den Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelstange. Von dort wird das Schmiermittel durch die Sogwirkung, welche durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens und des Pleuelauges in der Schmierzone zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge entsteht, in die Schmierzone zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge befördert. Weiterhin ist bei dieser Weiterbildung vorteilhaft, dass ebenfalls die Kolbennabe und insbesondere der Bereich zwischen Nabeninnenoberfläche und Außenoberfläche des Kolbenbolzens mit Schmiermittel versorgt wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Pleuestange im Bereich des Pleuelauges direkt, insbesondere ohne Buchse, Lager oder dergleichen Verbindungselemente, drehbar mit dem Kolbenbolzen verbunden ist. Eine derartige Lösung führt zu einer wesentlichen konstruktiven Vereinfachung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, welche insbesondere mit der Einsparung von Bauteilen und Kosten sowie der Verringerung beschleunigter Massen verbunden ist. In positiver Weise beeinflusst wird eine derartige Weiterbildung durch die gemäß dem Konzept erfolgende verbesserte Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, insbesondere die kontinuierliche Schmiermittelzuführung und insbesondere die damit verbundene erhöhte Tragfähigkeit der hydrodynamischen Gleitlagerung zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge. Diese sorgt für eine möglichst zuverlässige Aufrechterhaltung eines konvergenten Schmierspalts und somit für eine Trennung von Pleuelauge und Kolbenbolzen, was wiederum den Verschleiß dieser Komponenten durch Reibung und damit verbundenen tribologischen Effekten vermindert bzw. vermeidet.
Weiterhin hat diese Weiterbildung den Vorteil, dass der gesamte Durchmesser des Pleuelauges für die Bildung einer Gleitlagerung mit dem Kolbenbolzen genutzt werden kann, da eine den Gleitlagerdurchmesser reduzierende Pleuelbuchse nicht benötigt wird. Hierdurch vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen Pleuelauge und Kolbenbolzen, was wiederum die auf die Gleitlagerung wirkende Flächenpressung verringert und sich somit positiv auf die maximal mögliche Kolbenbelastung auswirkt.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Druck zum Zuführen des Schmiermittels auschließlich oder teilweise durch die Beschleunigung des Kolbens erzeugt wird. Konkret bedeutet dies, dass bei der Förderung von Schmiermittel in die Schmierzone zwischen Kolbenbolzen und Pleuelauge zur Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung vollständig auf eine aktive Fördereinrichtung, beispielsweise eine Ölpumpe, verzichtet werden kann, weil der zur Förderung benötigte Druck praktisch vollständig aus der Hubbewegung des Kolbens und der Beschleunigung des sich im Kolben befindenden Schmiermittels, erzeugt wird. Hierdurch wird der konstruktive Aufbau weiter vereinfacht und der Einsatz zusätzlicher Systeme zum Aufbau von Schmiermitteldruck überflüssig, was sich wiederum positiv auf die Herstellkosten und die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung zur Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung auswirkt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Pleuelstange frei von Bohrungen und/oder Kanälen oder sonstigen Öffnungen zur Zuführung von Schmiermittel von außen in das Pleuelauge ist. Dieses Merkmal wird ermöglicht durch die Förderung von Schmiermittel gemäß dem Konzept der Erfindung, nämlich in axialer Richtung entlang der Außenoberfläche des Kolbenbolzens in den Schmierspalt, im Gegensatz zu der Förderung in radialer Richtung gemäß dem Stand der Technik. Hierzu zählt auch insbesondere vorteilhaft, dass die Pleuelstange entlang der Längsachse der Pleuelstange frei von Kanälen oder Bohrungen zur Versorgung der Schmierzone mit Schmiermittel ist, insbesondere zwischen beiden gegenüberliegenden Pleuelaugen einer Pleuelstange, insbesondere zur Förderung von Schmiermittel von einem großen Pleuelauge an einer Kurbelwelle zu einem kleinen Pleuelauge am Kolbenbolzen. Derartige Bohrungen führen zur mechanischen Schwächung der Pleuelstange, welche wiederum mit einer Vorrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung vermieden wird.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf eine einen Motor gemäß dem Konzept der Erfindung enthaltende Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung, welchem eine Vorrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 ein Schema eines Motors, insbesondere eines Diesel- oder Benzinmotors oder Gasmotors, für eine Brennkraftmaschine, wobei der Motor eine bevorzugte Kolben- und Pleuelbolzenlagerung aufweists;
2 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung in einer perspektivischen Schnittdarstellung bei einem in 1 schematisch dargestellten Motor,
3 einen Kolben der bevorzugten Ausführungsform in einer Schnittdarstellung mit horizontaler Schnittebene,
4 den Kolben der 3 in einer Schnittdarstellung in einer weiteren Schnittdarstellung;
5 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Form einer Kolbennabentasche für eine bevorzugte Ausführungsform einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung.
1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung schematisch einen Motor 1000 einer Brennkraftmaschine in einer Schnittebene parallel zur Bewegungsebene B der Pleuelstange 150. Der Motor 1000 bildet einen Teil einer hier nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine, zu der weiterhin zusätzliche Komponenten wie Lader und Peripherie gehören.
Sichtbar sind zwei Zylinder 180, 180‘, die jeweils einen Kolben 102, 102‘ enthalten. Die Kolben 102, 102‘ sind jeweils über einen Kolbenbolzen 120, 120‘ drehbewegbar mit einer Pleuelstange 150, 150‘ verbunden, welche jeweils die Kolben 102, 102‘ mit der Kurbelwelle 190 verbinden.
Durch die Pleuelstangen 150, 150‘ wird die von den Kolben 102, 102‘ ausgehende oszillierende Hubbewegung in eine rotatorische Antriebsbewegung der Kurbelwelle 190 umgewandelt. Während der Kolben 102 in einer dem oberen Totpunkt nahen Position dargestellt ist, wird der Kolben 102‘ in einer dem unteren Totpunkt nahen Position, d. h. im unteren Abschnitt des Zylinders, gezeigt.
2 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Ein Kolben 102 ist derartig innerhalb eines Zylinders 180 angeordnet, dass er Hubbewegungen entlang der Längsachse des Zylinders 180 vollziehen kann. Weiterhin ist eine Pleuelstange 150 über einen Kolbenbolzen 120 drehbar mit dem Kolben 102 verbunden. Hierzu weist die Pleuelstange 150 ein Pleuelauge 152 auf, welches zur Aufnahme des Kolbenbolzens 120 dient. Die Pleuelstange 150 dient der Umwandlung der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 102 in eine rotatorische Bewegung. Hierzu ist die Pleuelstange 150 an ihrem anderen Ende beispielsweise mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden, an der sie ebenfalls über ein Pleuelauge an einem exzentrisch angeordneten Wellenabschnitt der Kurbelwelle drehbar verbunden ist. Die Pleuelstange 150 bewegt sich bei der Übersetzung der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 102 in die rotatorische Antriebsbewegung in einer Bewegungsebene B.
Der Kolben 102 ist weiterhin aufgeteilt in einen vom Pleuelauge 152 abgewandten Kolbenboden-Abschnitt 104, in dem der Kolbenbodenkühlraum 112 und der Kolbenboden 130 angeordnet sind, und einen zum Pleuelauge 152 zugewandten Kolbennaben-Abschnitt 106. Der Kolbenboden-Abschnitt 104 ist dem Brennraum innerhalb des Zylinders 180 zugewandt und befindet sich in der Darstellung von 2 im oberen Bereich. Der Kolbennaben-Abschnitt 106 wird gebildet aus in der Regel zwei Kolbennaben 108, welche zur Aufnahme des Kolbenbolzens 120 und somit zur Verbindung mit der Pleuelstange 150 ausgebildet sind.
Gemäß dem Konzept der Erfindung wird zur Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung Schmiermittel, welches sich primär zur Kühlung des Kolbenbodens 130 im Kolbenbodenkühlraum 112 befindet, durch die oszillierende Hubbewegung des Kolbens 102 beschleunigt. Durch diese Beschleunigung wird das sich im Kolbenbodenkühlraum 112 befindliche Schmiermittel mit einem Druck beaufschlagt, welcher zu einer Förderung des Schmiermittels durch einen Ölrücklaufkanal 116 führt, der den Kolbenbodenkühlraum 112 mit der Nabeninnenoberfläche 110 der Kolbennabe 108 verbindet. In der hier gezeigten Weiterbildung weist jede Kolbennabe 108 zwei Ölrücklaufkanäle 116 auf, so dass der Kolben über insgesamt vier Ölrücklaufkanäle 116 verfügt, die allesamt außerhalb der Bewegungsebene B der Pleuelstange 150 angeordnet sind. Auf diese Weise gelangt das Schmiermittel zur Austrittsöffnung 114 des Ölrücklaufkanals 116, wo es sich gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung in einer im Bereich der Austrittsöffnung 114 des Ölrücklaufkanals 116 angeordneten Kolbennabentasche 118 sammelt. Die Kolbennabentasche 118 ist somit im vorliegenden Fall vorteilhaft in und um den Bereich der Austrittsöffnung 114 des Ölrücklaufkanals 116 angeordnet und öffnet sich in Richtung des Kolbenbolzens und des Pleuelauges.
Mittels der Kolbennabentaschen 118, welche sich in der Kolbennabe 108 im Bereich der Nabeninnenoberfläche 110 an der Austrittsöffnung 114 befinden, wird das Schmiermittel weiter beschleunigt und auf der Außenoberfläche 122 des Kolbenbolzens 120 und im Zwischenraum 160 zwischen Kolben 102 und Pleuelauge 152 verteilt. Von dort wird das Schmiermittel durch die Sogwirkung, welche durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens 120 und des Pleuelauges 152 in der Schmierzone S zwischen Kolbenbolzen 120 und Pleuelauge 152 entsteht, in die Schmierzone S zwischen Pleuelauge 152 und Kolbenbolzen 120 zugeführt. Vorliegend weist die Pleuelstange 150 auch mindestens eine in Richtung der Schmierzone S geöffnete Pleuelaugentasche 154 zum Führen und Speichern von Schmiermittel auf. Weiterhin vorteilhaft wird über die Kolbennabentasche 118 ebenfalls der Bereich zwischen Nabeninnenoberfläche 110 und Außenoberfläche 122 des Kolbenbolzens 120 mit Schmiermittel versorgt.
Die Zuführung des Schmiermittels erfolgt gemäß dem Konzept der Erfindung also axial, d.h. entlang der Außenoberfläche 122 des Kolbenbolzens 120 über den Zwischenraum 160 zwischen Kolben 102 und Pleuelauge 150 und die Pleuleaugentasche 154. Die Zuführung und Förderung des Schmiermittels kann durch mindestens eine solche in analoger Weise an der Innenoberfläche des Pleuelauges 152 angeordnete Pleuelaugentasche 154 vorteilhaft unterstützt werden, welche neben dem Speichern und Führen von Schmiermittel weiterhin eine Sogwirkung erreicht. Die Sogwirkung entsteht durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens 120 und des Pleuelauges 152 in der Schmierzone S zwischen Kolbenbolzen 120 und Pleuelauge 152. Vorliegend ist diese Pleuelaugentasche 154 vorteilhaft auf der Innenoberfläche des Pleuelauges 152 axial mittig angeordnet, und erstreckt sich in tangentialer Richtung teilweise oder vollständig entlang des Umfangs. Durch eine derartige Pleuelaugentasche 154 wird das Volumen der Schmierzone vergrößert, was wiederum einen positiven Einfluss auf die Schmierung der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung hat, da die aufnehmbare Menge an Schmiermittel vergrößert wird, die Verteilung des Schmiermittels innerhalb der Schmierzone verbessert wird und die Sogwirkung, welche durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens 120 und des Pleuelauges 152 in der Schmierzone zwischen Kolbenbolzen 120 und Pleuelauge 152 entsteht, ebenfalls zunimmt. Auf diese Weise kann Schmiermittel, das nach dem Konzept der Erfindung über den Kolbenbodenkühlraum 112 und den Ölrücklaufkanal in den Zwischenraum zwischen Kolben 102, 102‘ und Pleuelauge 152 gelangt, in verbesserter Weise in die Schmierzone S befördert werden.
Dies stellt einen Unterschied zum Stand der Technik dar, wo die Zuführung von Schmiermittel in radialer Richtung durch Öffnungen in der Pleuelstange 150, die in radialer Richtung um das Pleuelauge und innerhalb der Bewegungsebene B der Pleuelstange 150 angeordnet sind, erfolgen würde. Derartige radiale Öffnungen in der Pleuelstange 150 haben eine mechanische Schwächung der Pleuelstange 150 zur Folge.
3 zeigt eine weitere Schnittdarstellung eines Kolbens 102 gemäß dem Konzept der Erfindung in einer Schnittebene, welche auf Höhe des Kolbenbodenkühlraum 112 horizontal durch den Kolben 102 verläuft. Zu sehen ist insbesondere der ringförmig ausgeprägte Kolbenbodenkühlraum 112, welcher über einen Ölzulauf 210 mit Schmiermittel versorgt wird. Das Schmiermittel dient in erster Linie zur Kühlung des Kolbenbodens 130, welcher aufgrund seiner Nähe zum Ort der Verbrennung hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Gemäß dem Konzept der Erfindung sind vier Ölrücklaufkanäle 116 außerhalb der Bewegungsebene B der Pleuelstange 150 derart angeordnet, dass deren Eintrittöffnungen auf dem Boden des Kolbenbodenkühlraums 112 verteilt sind. Durch diese Eintrittsöffnungen gelangt das Schmiermittel, welches durch die Hubbewegung des Kolbens 102 beschleunigt wird, über die Rücklaufkanäle 116, d.h. in die Zeichenebene von 2 hinein, in den Bereich zwischen Nabeninnenoberfläche 110 der Kolbennabe 108 und Außenoberfläche 122 des Kolbenbolzens 120. Von dort gelangt es schließlich gemäß dem Konzept der Erfindung über den Zwischenraum 160 zwischen Kolben 102 und Pleuelauge 152 in die Schmierzone S.
4 zeigt einen Kolben 102 gemäß dem Konzept der Erfindung in einer weiteren Schnittdarstellung in einer vertikalen Schnittebene parallel zu Bewegungsebene B der Pleuelstange 150, jedoch derartig versetzt, dass die Schnittebene durch zwei der vier Ölrücklaufkanäle 116 verläuft.
Der ringförmig ausgeprägte Kolbenbodenkühlraum 112, welcher das primär zur Kühlung des Kolbenbodens 130 eingesetzte Schmiermittel enthält, ist im oberen Bereich der Darstellung sichtbar. Weiterhin sichtbar sind zwei der Ölrücklaufbohrungen 116, welche den Kolbenbodenkühlraum 112 jeweils mit einer an der Nabeninnenoberfläche 110 angeordneten Kolbennabentasche 118 verbinden. Durch die Beschleunigung des Schmiermittels insbesondere im Kolbenbodenkühlraum 112, welche durch die Hubbewegung des Kolbens 102 entsteht, wird das Schmiermittel somit vom Kolbenbodenkühlraum 112 jeweils in Richtung der Kolbennabentasche 118 gefördert bzw. gepumpt. Von dort gelangt das Schmiermittel in axialer Richtung entlang des Kolbenbolzens 120, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene dieser Darstellung, in den hier nicht dargestellten Zwischenraum 160 zwischen Kolben 102 und Pleuelauge 152. Von dem Zwischenraum 160 gelangt das Schmiermittel schließlich aufgrund der Sogwirkung, welche durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens 120 und des Pleuelauges 152 entsteht, in die Schmierzone S zwischen Pleuelauge 152 und Kolbenbolzen 120.
5 zeigt schematisch eine bevorzugte Form einer Kolbennabentasche 118- oder ggfs. auch Pleuelaugentasche 154- für eine bevorzugte Kolben- und Pleuelbolzenlagerung. Auf der linken der beiden Kolbennaben 108 ist eine zylindrische Ausführungsform der Kolbennabentasche 118Z (ggfs. auch möglich für eine zylindrische Pleuelaugentasche 154Z) dargestellt. Auf der rechten der beiden Kolbennaben 108 ist eine elliptische Ausfuhrungsform der Kolbennabentasche 118E (ggfs. auch möglich für eine elliptische Pleuelaugentasche 154E) dargestellt. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch eine elliptische Form einer Tasche 118E, 154E der Weg des Öls in Richtung eines kleinen Pleuelauges 152 vorgegeben ist und so das Öl noch gezielter in Richtung des kleinen Pleuelauges 152 gelenkt werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Schmiervorrichtung für eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung
102, 102‘: Kolben
104: Kolbenboden-Abschnitt
106: Kolbennaben-Abschnitt
108: Kolbennabe
110: Nabeninnenoberfläche
112: Kolbenbodenkühlraum
114: Austrittsöffnung
116: Ölrücklaufkanal
118, 118E, 118Z: Kolbennabentasche, elliptische Kolbennabentasche, zylindrische Kolbennabentasche
120, 120‘: Kolbenbolzen
122: Außenoberfläche des Kolbenbolzens
130: Kolbenboden
150, 150‘: Pleuelstange
152: Pleuelauge
154, 154E, 154Z: Pleuelaugentasche, elliptische Pleuelaugentasche, zylindrische Pleuelaugentasche
160: Zwischenraum zwischen Kolben und Pleuelauge
180, 180‘: Zylinder
190: Kurbelwelle
210: Ölzulauf
1000: Motor, insbesondere Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor
B: Bewegungsebene der Pleuelstange
S: Schmierzone zwischen Pleuelauge und Kolbenbolzen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19647735 C1 [0006]

Claims

Motor (1000) einer Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, mit einer Anzahl von Zylindern (180) und in diesen angeordneten Kolben (102), wobei – ein Kolben (102) zum Antrieb einer Kurbelwelle (190) des Motors (1000) über eine Kolben- und Pleuelbolzenlagerung an einer mit der Kurbelwelle (190) verbundenen Pleuelstange (150) mittels eines Kolbenbolzens (120) in einem dem Kolben (102) zugewandten Ende angeordneten Pleuelauge (152) der Pleuelstange (150) gelagert ist, wobei – der Kolben (102) einen vom Pleuelauge (152) abgewandten Kolbenboden-Abschnitt (104) und einen dem Pleuelauge (152) zugewandten Kolbennaben-Abschnitt (106) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kolben mindestens eine Kolbennabe (108) mit einer praktisch hohlzylindrisch geformten Nabeninnenoberfläche (110) und einen Kolbenbodenkühlraum (112) aufweist, – eine Schmiervorrichtung (100) zum Schmieren der Kolben- und Pleuelbolzenlagerung vorgesehen ist, die aufweist: – mindestens eine auf der Nabeninnenoberfläche (110) angeordnete Austrittsöffnung (114) sowie mindestens einen den Kolbenbodenkühlraum (112) und die Austrittsöffnung (114) verbindenden und außerhalb einer Bewegungsebene der Pleuelstange angeordneten Ölrücklaufkanal (116), wobei – die Schmiervorrichtung (100) ausgebildet ist, zum Zuführen von Schmiermittel aus dem Kolbenbodenkühlraum (112) über den mindestens einen Ölrücklaufkanal (116), weiterhin über die Austrittsöffnung (114) und weiterhin über einen Zwischenraum (160) zwischen Kolben und Pleuelauge entlang der Außenoberfläche (122) des Kolbenbolzens (120) in eine sich zwischen Pleuelauge (152) und Kolbenbolzen (120) bildende Schmierzone (S).
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen (120) – eine praktisch zylindrische Außenoberfläche (122) aufweist, und – in einer praktisch gemeinsamen Symmetrieachse des Pleuelauges (152) und der Nabeninnenoberfläche (110) angeordnet ist, und – durch Pleuelauge (152) und Nabeninnenoberfläche (110) geführt ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (150) mindestens eine in Richtung der Schmierzone (S) geöffnete Pleuelaugentasche (154) zum Führen und Speichern von Schmiermittel aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (102) mindestens eine Kolbennabentasche (118) zum Aufnehmen und Verteilen von Schmiermittel aufweist, welche an der mindestens einen Austrittsöffnung (114) derart angeordnet ist, dass sie zu der angrenzenden Oberfläche des Kolbenbolzens und/oder der zum Pleuelauge (152) gewandten Seite offen ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuestange (150) im Bereich des Pleuelauges (152) direkt, insbesondere ohne Buchse, Lager oder dergleichen Verbindungselement drehbar mit dem Kolbenbolzen (120) verbunden ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass teilweise, insbesondere ausschließlich durch die Beschleunigung des Kolbens (102) ein Druck zum Zuführen des Schmiermittels erzeugt wird.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (150) frei von Bohrungen und/oder Kanälen oder sonstigen Öffnungen zur Zuführung von Schmiermittel von außen in das Pleuelauge (152) ist.
Brennkraftmaschine aufweisend einen Motor, insbesondere einen Diesel- oder Benzinmotor oder Gasmotor, nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Schmieren einer Kolben- und Pleuelbolzenlagerung beim Betrieb eines Motors (1000), insbesondere eines Diesel- oder Benzinmotors oder Gasmotors, mit einer Anzahl von Zylindern (180) und in diesen angeordneten Kolben (102), wobei – ein Kolben (102) zum Antrieb einer Kurbelwelle (190) des Motors (1000) über die Kolben- und Pleuelbolzenlagerung an einer mit der Kurbelwelle (190) verbundenen Pleuelstange (150) mittels eines Kolbenbolzens (120) in einem dem Kolben zugewandten Ende angeordneten Pleuelauge (152) der Pleuelstange (150) gelagert ist, aufweisend die Schritte: – Aufbauen eines Schmiermitteldruckes durch Beschleunigen des Kolbens (102), – Zuführen von Schmiermittel über den mindestens einen Ölrücklaufkanal (116), weiterhin über die Austrittsöffnung (114) und weiterhin über einen Zwischenraum (160) zwischen Kolben und Pleuelauge entlang der Außenoberfläche (122) des Kolbenbolzens (120) in eine sich zwischen Pleuelauge (152) und Kolbenbolzen (120) bildende Schmierzone (S), – Abführen von Schmiermittel aus der Schmierzone (S).
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel über den Zwischenraum (160) zwischen Kolben (102) und Pleuelauge (152) an der Oberfläche des Kolbenbolzens (120) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Motor eine Sogwirkung durch die Relativbewegung des Kolbenbolzens (120) und des Pleuelauges (152) in der Schmierzone (S) zwischen Kolbenbolzen (120) und Pleuelauge (152) entsteht, und das Schmiermittel durch die Sogwirkung in die Schmierzone (S) angesaugt wird.