DE19621894B4

DE19621894B4 - Brennkraftmaschine mit Kolbenkühlung

Info

Publication number: DE19621894B4
Application number: DE19621894A
Authority: DE
Inventors: Werner Lemme; Hans-Peter Mahlberg; Horst Zimmermann
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-06-01
Also published as: DE19621894A1

Abstract

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

Description

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

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 9313885 U1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist schon eine wirksame Kolbenkühlung in der Form auf, dass Öl aus Kolbenspritzdüsen an die Unterseite des Kolbens gespritzt wird. Dabei sind ein oder zwei Kolbenspritzdüsen in dem Lagerstuhl zwischen benachbarten Zylindern angeordnet. Eine derartige Kolbenkühlung ist für eine bestimmte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine voll ausreichend. Soll aber nun – was gegebenenfalls aufgrund der sonstigen thermischen und mechanischen Eigenschaften der Brennkraftmaschine durchaus möglich ist – die Leistung der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden, ist eine intensivere Kühlung des Kolbens unumgänglich. Dies geschieht in herkömmlicher Art und Weise dadurch, dass die Kolben durch sogenannte Kühlkanalkolben ersetzt werden und das Kurbelgehäuse in der Form umkonstruiert wird, dass in das Kurbelgehäuse eine zusätzliche Ölverteilleitung eingearbeitet wird, an der je Zylinder eine sogenannte Hakendüse angeschlossen wird. Diese Hakendüse ragt beispielsweise von einer Seitenwand bis in einen Bereich neben einem Pleuel senkrecht unterhalb den Kolben und weist einen Austritt auf, der genau parallel zu der Zylindermittelachse auf einen bestimmten Punkt der Kolbenunterseite ausgerichtet ist. In diesen Punkt ist eine Öffnung in die Kolbenunterseite eingelassen, die mit dem Kühlkanal im Kolben verbunden ist. Somit gelangt über den gesamten Kolbenhub ununterbrochen Kühlöl in den Kühlkanal. Insgesamt ist also insbesondere durch die notwendige Umkonstruktion des Kurbelgehäuses eine ansonsten durchaus mögliche weitere Leistungserhöhung einer derartigen Brennkraftmaschine nur unter großem Aufwand durch eine Umkonstruktion des Kurbelgehäuses möglich.

Aus der DE 43 40 891 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung versehen ist. Die Eintrittsöffnung ist als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritzdüse austretenden Ölstrahl ausgebildet. Die Kolbenspritzdüse ist als gebogenes Rohr ausgebildet und offensichtlich direkt unterhalb des Kolbens (in seiner UT-Stellung) in die Zylinderwand des Kurbelgehäuses eingesetzt.

Aus der JP 01-041648 A ist ein Kolben mit einem Kühlkanal bekannt, wobei der Kühlkanal im Bereich der oberen Kolbenringnut als separates Bauteil einschließlich der Ringnut ausgebildet ist.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben als Kühlkanalkolben ausgebildet ist, dass die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritzdüse austre tenden Ölstrahl ausgebildet ist und dass zwei Fangtrichter auf gegenüberliegenden Seiten in den Kolben eingearbeitet sind.

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

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

Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, je Zylinder zwei Aufnahmebohrungen in die einem Zylinder zugeordneten, benachbarten Lagerstühle einzulassen. Durch diese Ausbildung wird die Kühlleistung erheblich erhöht, wobei aber der bauliche Aufwand sehr gering ist und im wesentlichen nur in der Anbringung einer zusätzlichen Bohrung in dem Lagerstuhl besteht. Dabei sind dann die entsprechenden Aufnahmebohrungen je Zylinder unterschiedlich ausgerichtet, so dass die auf die Kolbenunterseite auftreffenden Ölstrahlen an unterschiedlichen Stellen auf den Kolbenboden auftreffen.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fangtrichter als Langloch ausgebildet. Damit kann zumindest über einen weiten Bereich des Kolbenhubes zwischen dem unteren Totpunkt (UT) und dem oberen Totpunkt (OT) der aus der Kolbenspritzdüse austretende Ölstrahl aufgefangen werden und in den Kühlkanal eingeleitet werden. Dieser Auftrittspunkt des Ölstrahls liegt infolge der Schräglage der Düse in einer Ebene an der Kolbenunterseite, wobei diese Ebene durch das Langloch zumindest weitgehend abgedeckt wird. Sofern während des Kolbenhubs keine anderen Bauteile, insbesondere das Pleuel, den Ölstrahl ablenken, kann somit durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung während des gesamten Kolbenhubs der Ölstrahl aufgefangen werden. Dabei kann es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass das Langloch nur eine, solche Länge aufweist und so im Bezug zu der Kolbenspritzdüse ausgerichtet ist, dass während eines Teilabschnittes des Bewegungshubes des Kolbens der Ölstrahl in das Langloch eintritt. Durch diese Ausbildung kann ganz gezielt eine interne und eine externe Kolbenkühlung erreicht werden.

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

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

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

Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Brennkraftmaschine mit Kolbenspritzdüsen,
2: einen Schnitt durch zwei einem Zylinder zugeordnete und benachbarte Lagerbereiche,
3: eine Ansicht einer Kolbenunterseite eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kolbens,
4: einen Querschnitt durch eine nicht unter den Schutzbereich des Patents fallende Variante der erfindungsgemäß ausgestalteten Brennkraftmaschine mit Kolbenspritzöffnungen in den Pleueln,
5: eine Draufsicht auf den Kolben und
6: eine Ansicht der Kolbenunterseite.
Die Brennkraftmaschine nach 1 weist ein Kurbelgehäuse 1 auf, das im unteren Bereich Lagerstühle 2 aufweist. In diese Lagerstühle 2 wird unter Zwischenfügung von Lagerschalen eine Kurbelwelle eingelegt und mittels Hauptlagerdeckeln 3 mit den Lagerstühlen 2 verbunden. Das Kurbelgehäuse 1 weist weiterhin einen umlaufenden Flansch 4 auf, an dem eine Ölwanne festgeschraubt wird. Gegenüberliegend dem Flansch 4 ist an das Kurbelgehäuse 1 eine Anzahl von Zylindern 5 angeformt, wobei die Zylinder 5 eine einstückig mit dem Kurbelgehäuse 1 ausgebildete Zylinderlaufbüchse 6 aufweisen. In dieser Zylinderlaufbüchse 6 gleitet ein Kolben 7 zwischen einer dargestellten OT-Stellung 8a und einer ebenfalls dargestellten UT- Stellung 8b hin und her. Dabei ist der Kolben 7 über ein Pleuel an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angelenkt. Weiterhin weist das Kurbelgehäuse 1 seitliche Auskragungen 9 auf, wobei im Fußbereich der Auskragung 9 eine Bohrung 10 zur Aufnahme einer Nockenwelle angeordnet ist. Die Auskragung 9 weist eine Anzahl von Öffnungen 11 auf, in die Einspritzpumpenelemente einsetzbar sind. Diese Einspritzpumpenelemente gleiten mit einem Rollenstößel auf einem Pumpennocken der Nockenwelle ab und fördern Kraftstoff über Kraftstoffleitungen in die in den Zylinderkopf eingebaute Kraftstoffeinspritzventile.
In 1 sind weiterhin zwei Ölstrahle 12a, 12b zur Kolbenkühlung eingezeichnet. Diese beiden Ölstrahle 12a, 12b stellen den Weg des aus zwei Kolbenspritzdüsen austretenden Öls dar, die in Aufnahmebohrungen 13a und – nicht dargestellt – 13b eingesetzt sind (s. auch 2). Diese Aufnahmebohrungen 13a und 13b sind in die Lagerstühle 2 des Kurbelgehäuses eingelassen. Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, sind die beiden Ölstrahle 12a, 12b so ausgerichtet, daß sie auf gegenüberliegenden Seiten auf die Kolbenunterseite 14 des Kolbens 7 auftreffen.
Hierzu ist 3 ergänzend zu entnehmen, daß in die Kolbenunterseite 14 im Bereich der Kolbenbolzenachse 15 Langlöcher 16a, 16b eingelassen sind, die mit einem in den Kolben eingelassenen Kühlkanal 17 verbunden sind. Dabei teilen die beiden Langlöcher 16a, 16b den Kühlkanal 17 in zwei Teilkanäle auf, so daß das jeweils in ein Langloch 16a, 16b eintretende Kühlöl einen Teilkanal des Kühlkanals 17 mit Kühlöl versorgt. Damit bildet jedes der beiden Langlöcher 16a, 16b für einen Kühlölstrahl den Eintritt und gleichzeitig für den in dem gegenüberliegenden Langloch eingetretenen Kühlölstrahl den Austritt.
In 4 ist prinzipell die gleiche Brennkraftmaschine wie in 1 dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel in das Pleuel 18 eine Ölbohrung 19 eingearbeitet ist. Diese Ölbohrung 19 dient zunächst zur Versorgung des Kolbenbolzens 20 mit Schmieröl. Darüber hinaus ist aber in diesem Ausführungsbeispiel die Ölbohrung 19 bis in eine Kolbenspritzöffnung 21 auf dem der Kolbenunterseite 14 zugewandten Endbereich des Pleuels 18 weitergeführt. Die Kolbenspritzöffnung 21 wirkt über den gesamten Schwenkbereich des Pleuels – in 4 sind die beiden Extremstellungen des Pleuels 18 eingezeichnet – immer mit einer Ölzulauföffnung 22 zusammen. Die Ausbildung der Ölzulauföffnung 22 ist als Langloch 16c in 6 genauer dargestellt, wobei das durch die Ölzulauföffnung 22 in den Kühlkanal des Kolbens 7 eintretende Öl auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Abflußöffnung 23 wieder aus dem Kühlkanal austreten kann. Die Ölzulauföffnung 22 und die Abflußöffnung 23 dienen bei der Fertigung des Kolbens gleichzeitig als Salzkernstützen. Ergänzend zeigt die 5 die exzentrische Anordnung der Brennraummulde 24 in dem Kolben 7.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar in Lagerschalen gelagert ist, die in von Lagerstühlen und Lagerdeckeln gebildeten Öffnungen festgelegt sind, wobei an der Kurbelwelle zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder bewegbaren Kolben trägt, wobei eine Kolbenspritzdüse vorgesehen ist, die in eine in einem Lagerstuhl im Lagerbohrungsbereich eingearbeitete und mit einer Hauptölbohrung verbundene Aufnahmebohrung eingesetzt ist, und wobei die Aufnahmebohrung in einen Zylinder mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) als Kühlkanalkolben ausgebildet ist, dass die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal (17) als Fangtrichter für den aus der Kolbenspritzdüse austretenden Ölstrahl (12a, 12b) ausgebildet ist und dass zwei Fangtrichter auf gegenüberliegenden Seiten in den Kolben (7) eingearbeitet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in benachbarten Lagerstühlen (2) zwei auf je einen Zylinder (5) ausgerichtete Aufnahmebohrungen (13a, 13b) eingearbeitet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangtrichter als Langloch (16a, 16b) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Langloch (16a, 16b) eine solche Länge aufweist und so im Bezug zu der Kolbenspritzdüse ausgerichtet ist, dass zumindest während eines Teilabschnittes des Bewegungshubes des Kolbens (7) der Ölstrahl (12a, 12b) in das Langloch (16a, 16b) eintritt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fangtrichter so in Bezug zu den Kolbenspritzdüsen ausgerichtet sind, dass über einen Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus der ersten Kolbenspritzdüse, über einen weiteren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus der zweiten Kolbenspritzdüse und über einen weiteren Teilabschnitt des Bewegungshubes der Ölstrahl (12a, 12b) aus beiden Kolbenspritzdüsen in die Fangtrichter eintritt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass einer der aus den in die Aufnahmebohrungen eingesetzten Kolbenspritzdüsen austretende Ölstrahl (12a, 12b) an die Kolbenunterseite (14) gespritzt wird.