DE3546646C2 - Oil-cooled internal combustion engine with two-part piston and oil baffle surfaces in the bottom part of the piston - Google Patents

Description

Hohe Motorleistungen können heute mit Ölkühlung bei Brenn­ kraftmaschinen gefahren werden, deren Kolben und Brennver­ fahren so gestaltet sind, daß nur wenig Wärme aus dem Brenn­ raum an die Zylinderwand fließt. Im Zusammenhang mit den Möglichkeiten der Ölkühlung erfährt auch die Ausgestaltung der inneren Ölspritzkühlung zunehmend an Bedeutung, zumal sie die äußere Umlaufkühlung bis in die Höhe des Ringträgers des Kolbenoberteils zu ersetzen vermag (vgl. DE-OS 33 14 543).

Es wurde bereits der Vorschlag gemacht, bei einem Kolben zweiteiliger Bauart das Kolbenunterteil mit Ölleitflächen zu bestücken (vgl. DE-OS 25 43 478). Die Wärmeabfuhr vom Zylinder kann dabei über das Kolbenunterteil und über die Ölspritzkühlung nach innen in das Öl erfolgen, und es kann auch Wärme vom oberen Zylinderteil zum unteren Zylinderteil verbracht werden, was eine Vereinheitlichung der Zylinder­ temperatur herbeiführt (vgl. DE-OS 33 14 543).

Leistungsbegrenzungen dieser Ölkühlung sind nach dem Stand der Technik allerdings dadurch gegeben, daß mittels der bis­ her bekannten Ölleitflächen (Prallflächen) zwar der Bolzen gut geschmiert werden kann, der Wärmeentzug vom Zylinder im Bereich des Kolbenunterteils aber intensiv nur entlang die­ ser Ölleitflächen geschieht, quer zum Kolbenbolzenlager aber die Abkühlung des Zylinders noch gesteigert werden muß.

Dieser Nachteil macht sich in der Motorpraxis namentlich im Falle zusammengegossener Zylinder bemerkbar, wo die Nach­ teile einer minderen Kühlung in Kurbelwellenrichtung auf­ grund der zusammengegossenen Zylinder und der fehlenden äußeren Kühlung mit den Nachteilen einer minderen inneren Ölkühlung quer zur Kolbenbolzenrichtung im Bereich des Kol­ benunterteils aufgrund der im letzten Absatz geschilderten Mängel zusammentreffen.

So hat der Stand der Technik bezüglich der inneren Ölspritz­ kühlung und des Kolbenunterteils eines zweiteiligen Kolbens zur Folge, daß zwar die Vereinheitlichung der Zylindertempe­ ratur in Längsrichtung des Zylinders gegeben ist, nicht aber im Zylinderumfang ein einheitliches Temperaturniveau erreicht wird. Es soll aber gerade die innere Ölspritzküh­ lung in die Lage versetzt werden, gleichmäßig bzw. ver­ gleichmäßigend auf die Temperatur der gesamten Zylinder­ innenfläche ausgerichtet zu sein. Denn erst die thermische Rundheit des Zylinders ermöglicht auch den Einbau völlig runder Kolben und damit die Reduzierung des Dichtspiels zwischen Kolben und Zylinder auf ein Kleinstmaß. Es ist in der oben erwähnten DE-OS 25 43 478 ein ölgekühlter, zwei­ teiliger Gelenkkolben dargestellt und beschrieben, dessen Kolbenboden von unten durch eine Öleinspritzung gekühlt wird, wobei dort ebenfalls Leitflächen (21) zum Zuführen des Kühlöles zum Kolbenboden sowie Leitflächen (27) zum Ab­ führen des Kühlöles zum Kurbelgehäuse vorhanden sind. Das Kühlöl kann dort jedoch nur auf einer Seite des Kolbenbol­ zens eingespritzt werden, und das zurückströmende Kühlöl trifft vorwiegend in einer Ebene auf die Zylinderwand, die quer zum Kolbenbolzen verläuft. Auch die DE-OS 24 24 881 läßt nicht erkennen, wie das zurückströmende Kühlöl gleich­ mäßig auf die Zylinderfläche verteilt werden kann.

Es ist Aufgabe vorliegender Anmeldung, die Temperaturvertei­ lung der Zylinderinnenfläche auch umfangmäßig zu vergleich­ mäßigen. Dies wird mit den Maßnahmen des 1. Anspruchs ge­ währleistet. Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Der neu erarbeitete Vorschlag besteht darin die innere Öl­ kühlung des Zylinders dadurch zu verbessern daß im Kolben­ unterteil der Rückfluß des hochgespritzten Kühlöles um 90° ∡ versetzt geschieht. Das Kolbenunterteil soll mehrere Leitflächen besitzen, wobei mindestens eine innere Leitflä­ che (längs zum Bolzen) in bekannter Weise das Kühlöl zum Bolzen und an diesem vorbei zum Kolbenoberteil hin ausrich­ ten, während mindestens eine äußere Leitfläche den Rückfluß des Öles besorgt, und zwar quer zur Bolzenachse, so daß das Kühlöl (in dem bisher nicht gekühlten Bereich) an der Zylinderwand abgeleitet wird. Das von unten hochspritzende Öl kühlt über die innere(n) Ölleitfläche(n) die Zylinder­ bereiche, die in Längslage des Bolzens befindlich sind indirekt, während das rückströmende Öl, das am Kolbenober­ teil umgelenkt wird, die Zylinderbereiche quer zur Lage des Bolzens direkt kühlt.

Das über die äußere(n) Leitfläche(n) zurückfließende Öl wird sodann durch einen Abdichtrand am unteren Ende des Kolbenunterteils, der am Zylinder anliegt, zurückgehalten oder durch einen Schlitz oder eine Bohrung nach unten entlassen.

Die Vorteile einer solchen Kühlung führen zur Behebung der bisherigen Mängel. Die thermische Rundheit des Zylinders er­ möglicht, daß der Kolben dadurch viel gasdichter ausgeführt werden kann. Er kann bereits oberhalb der Kolbenringe völlig dicht an den Zylindern angelegt werden. In diesem Punkt sind alle bisherigen Kühlungsarten deshalb mangelhaft, weil die Kolben der thermischen Unrundheit des Zylinders nicht angepaßt werden können. In den Dichtspalten aber ent­ stehen Schadstoffe (z. B. CH), und eine solche Bewegungs­ freiheit des Kolbens erhöht die Geräuschbildung.

Weiter kann sogar die thermische Unrundheit zusammengegos­ sener Zylinderbüchsen durch die vorgeschlagene innere Kühlung und das Kolbenunterteil ausgeglichen werden; eine stärkere direkte Kühlung quer zur Bolzenachse erbringt eine gleichmäßige Temperierung des Zylinders insgesamt.

Für die anteilmäßig größte Emission einer Brennkraftmaschi­ ne, die CO₂-Emission, wird es künftig bedeutsam sein, daß eine große Wärmedichtheit des Brennverfahrens mit einer op­ timalen Gasdichtheit von Kolben und Zylinder gepaart ist: je gleichmäßiger die Kühlung am ganzen Zylinderumfang stattfindet, desto höher kann das Temperaturniveau des Zylinders gewählt werden, was eine wichtige Voraussetzung für die Verbrennung von Pflanzenölen anstelle von Erdölpro­ dukten darstellt; bezüglich der Abgase ergibt pflanzliches Öl eine neutrale CO₂-Bilanz.

Es folgt ein mögliches Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist die innere und äußere Ölbespülung des Zylinders dargestellt wobei Teil (1) das Mo­ torgehäuse mit dem Ölkanal (2) darstellt. An dem Ölkanal (2), der mit Schmieröl gespeist wird, sind ein oder mehrere Ölspritzer (3) angeordnet, die das Innere des Zylinders (4) in der Bewegungsebene des Pleuels anspritzen. Das Spritzöl (5) wird von Leitschaufeln (6) in Richtung des Kolbenunterteils (7) gesteuert und von dort wieder von oben (5 a) zum Kolbenunterteil (8) zurückbefördert.

An der Innenseite des Zylinders wird eine bessere Ölkühlung am ganzen Zylinderumfang erreicht. Zu diesem Zweck hat das Kolbenunterteil (8) an seiner Innenseite neben den erwähnten Leitschaufeln (6), die in Richtung des Kolbenbolzens (20) verlaufen, an seiner Außenseite Leitflächen (31) (Fig. 2), die quer zum Kolbenbolzen (20) stehen. So erreicht die Ölkühlung den ganzen Zylinderumfang und etwa 80% der Zylinderlänge der inneren Zylinderfläche bis in Höhe des Kolbenoberteils. Nicht erreicht wird vom inneren Kühlöl die vom Kolbendichtmantel (22) abgedeckte Zylinderfläche, weshalb der Dicht­ mantel an seiner inneren Fläche mit Spritzöl (5 a) gekühlt wird. Ein Ringkanal (10) ist etwa so tief eingestochen, wie die Länge des Dichtmantels be­ trägt, so daß auch an diesem wichtigen oberen Zy­ linderteil beiderseits eine gute Ölkühlung garantiert ist.

Im Kolbenbrennraum (27) ist ein Brennverfahren vor­ gesehen, bei dem um die heiße Brennzone (28) die Überschußluft (29) rotiert, was einen guten Schutz gegen hohe Temperaturen im Kolbenoberteil (7) ergibt.

Diese Art der geringen Aufheizung und Kühlung macht es möglich, daß die übliche Gasdichtung zwi­ schen dem Zylinder und Zylinderkopf an der Verbin­ dungsstelle (30) entfällt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt des Kolbenunterteils (8) in Richtung des Kolbenbolzens mit den äußeren Leitflächen (31), die das vom Kolbenoberteil (7) (Fig. 1) zurückgeworfene Spritzöl (5 a) (Fig. 1) auffangen. Das Öl wird hier kurzzeitig durch den unteren Öldichtrand (33) festgehalten, um eine intensivere Zylinderwandkühlung in dieser Ebene zu erreichen. Es fließt dann durch die Bohrungen oder einen Schlitz (34) in den unteren Teil des Zylinders (4) ab. Die Pfeile (5 a) zeigen das vormals an den Leitflächen (6) hochgespritzte Öl (5), das vom Kolbenoberteil zurückgelenkt ist und quer zur Anspritzebene (um 90° versetzt) durch die neuen Leitflächen (31) seinen Abfluß zum unteren Teil des Zylinders (4) findet.

Anstatt der in dem Ausführungsbeispiel beschriebe­ nen vier Leitflächen können für andere Anwendungs­ beispiele auch mehr oder weniger Leitflächen einschließlich solcher, die geteilt sind oder in einem Winkel zueinander stehen, verwendet werden; sowie auch die Form der inneren oder äußeren Leit­ flächen durch dieses Beispiel nicht festgelegt sein soll und auch nicht die Art der Bohrung oder des abführenden Schlitzes.

Claims (4)

1. Ölgekühlter, zweiteiliger Gelenkkolben, dessen Kolbentei­ le über einen Bolzen gelenkig verbunden sind, wobei das obere, dem Brennraum zugewandte Teil die Gaskräfte und das untere, der Kurbelwelle zugewandte Teil die Seiten­ kräfte aufnimmt, mit einer Kühlung des Kolbenbodens durch eine Kühlöleinspritzung aus dem Kurbelgehäuse, und mit Leitflächen unterhalb des Kolbenbolzens zum Ablenken des Kühlölstrahles in Richtung auf die zu kühlenden Teile des Kolbens und zum Rückführen des erwärmten Kühl­ öles in Richtung des Kurbelgehäuses, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitflächen zum Rückführen des Kühlöles gegenüber der Längsachse des Kolbenbolzens und gegenüber den Leitflächen zum Zuführen des Kühlöles um ca. 90° in der Kolbenlängsachse verdreht angeordnet sind, daß die Leitflächen zum Rückführen des Kühlöles zum Kolbenrand hin verlaufen und der Zylinderwand das aufgefangene, er­ wärmte Kühlöl direkt zuführen.

2. Gelenkkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Zylinderwand zugeführte Kühlöl in einem Zwi­ schenraum zwischen der Seitenwand des Kolbenunterteiles und der Zylinderwand eingefangen und durch einen Abdicht­ rand am unteren Ende des Kolbenunterteiles zurückgehalten wird.

3. Gelenkkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlöl im Zwischenraum über einen Schlitz oder eine Bohrung zum Kurbelgehäuse abfließt.

4. Gelenkkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlöl auf beiden Seiten des Kol­ benbolzens auf die jeweiligen Leitflächen gespritzt wird.