DE102005017086B4

DE102005017086B4 - Schmierungsströmventil

Info

Publication number: DE102005017086B4
Application number: DE102005017086.2A
Authority: DE
Inventors: David James Hawes; Ignacio Trinchet
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: DE102005017086A1; GB2415751A; GB2415751B; GB0408140D0

Abstract

Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug, welcher mindestens einen Hubkolben mit Kolbenkühlung aufweist, bei welcher Schmieröl durch eine Düse auf die Rückseite des Kolbens gespritzt wird, wobei die Schmiermittelversorgung der Düse durch eine Ventilanordnung mit einem auf Ausrichtung ansprechenden Strömventil strömt, welches auf den Längsneigungswinkel des Fahrzeugs gegenüber der Horizontalen anspricht, um die Zufuhr von Schmiermittel zu der Düse zu drosseln, wenn das Fahrzeug bei einem einen vorbestimmten Winkel übersteigenden Neigungswinkel bergab fährt.

Description

Diese Erfindung betrifft Ventile, die in Schmiersystemen für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet werden, und insbesondere Motoren, die von Allradantriebsfahrzeugen verwendet werden, welche abseits der Straße gefahren und bei extremen Gefällstrecken eingesetzt werden können.
Der Extremfahrer von Allradantriebsfahrzeugen fordert, dass das Fahrzeug Steigungen und Gefälle von bis zu 45 Bogengrad überwinden kann, was manchmal als 1-zu-1-Steigung bzw. eine 100%ige Steigung bezeichnet wird. Wenn Fahrzeuge unter solchen extremen Bedingungen gefahren werden, ergeben sich aufgrund der Verdrängung von Öl im Sumpf Probleme bezüglich des Motorschmiersystems. Dies ist insbesondere ein Problem, wenn Komponenten durch Öl geschmiert werden, das durch eine Ölpumpe aus dem Sumpf gesaugt wird und dann in den Ölsumpf abtropft. Das Problem ist insbesondere bei V-Motoren mit mehreren Zylindern, zum Beispiel V8-Dieselmotoren, ausgeprägt, bei denen ein großer Teil des unter Druck stehenden Ölstroms zu Kolbenkühldüsen gelenkt wird. Beispiele für Verbrennungsmotoren mit Kolbenkühlung werden in GB-A-2261 717 und FR 2839 116 beschrieben. An extremen Gefällen nimmt der Fahrer typischerweise sehr wenig Leistung in Anspruch und der Öldruck ist typischerweise niedrig. Unter diesen Umständen ist die Kolbenkühlung keine wichtige Forderung und es ist wichtiger, dass das durch die Ölpumpe aus dem Sumpf angesaugte Schmieröl anderen Komponenten zugeführt wird.
Aus der DE 40 18 363 A1 ist eine Ölspritzdüse zur Kühlung eines Kolbens bekannt. Aus den DD 57 472 A1 , DE 37 42 315 A1 , DE 12 25 512 A und US 1,866,280 A ist es prinzipiell bekannt, die Ölförderung in einer Brennkraftmaschine abhängig von der Fahrzeugneigung zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren für das Absperren der Kolben kühlenden Ölstromdüsen an die Hand, wenn das Fahrzeug ein extremes Gefälle hinunterfährt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug an die Hand gegeben, welcher mindestens einen Hubkolben mit Kolbenkühlung aufweist, bei welchem Schmieröl durch eine in dem Kolben angeordnete Düse gespritzt wird, wobei die Schmiermittelversorgung der Düse durch ein auf die Ausrichtung ansprechendes Strömventil erfolgt, welches auf den Längsneigungswinkel des Fahrzeugs gegenüber der Horizontale anspricht, um die Zufuhr von Schmiermittel zu der Düse zu drosseln, wenn das Fahrzeug bei einem einen vorbestimmten Winkel übersteigenden Neigungswinkel bergab fährt.
Das Strömventil kann ein Absperrventil sein, welches im Wesentlichen das Kühlen des Kolbens verhindert.
Das Drosseln des Kolben kühlenden Ölstroms stellt sicher, dass im Sumpf eine größere Ölmenge vorhanden ist und dass der durch die Ölpumpe zugeführte, unter Druck stehende Strom allein zu den kritischen Komponenten im Motor geleitet wird.
Das Ventil arbeitet, wenn das Fahrzeug bei einer Neigung von über 25° (in etwa 1 in 2) bergab fährt.
Vorzugsweise umfasst das Ventil eine zylinderförmige Bohrung mit einem Durchlass an einem Ende, welcher mit der Kühldüse verbunden ist, wobei an der Mündung des Durchlasses ein Ventilsitz ausgebildet ist, und ein auf Schwerkraft ansprechendes Ventilelement, welches in der Bohrung bewegbar ist, um das Ventil zu öffnen und zu schließen, wobei die Ventilbohrung nach oben zur Horizontale um den vorbestimmten Winkel geneigt ist, wenn sich der Motor in der Waagerechten befindet, so dass das auf Schwerkraft ansprechende Ventilelement so positioniert wird, dass es den Ventil öffnet, und das Ventilelement bewegbar ist, um das Ventil zu schließen, wenn sich die Bohrung aufgrund der Fahrzeugausrichtung in der Waagerechten befindet oder nach unten geneigt ist.
Das Ventilelement ist vorzugsweise eine Kugel, und die Kugel ist vorzugsweise in einem so genannten Shuttle (zu deutsch Schiffchen) untergebracht, welches in der Bohrung gleitend hin- und herbewegbar ist, und vorzugsweise weist die zylinderförmige Außenfläche des Shuttle darin längliche Schlitze oder Nute für das Strömen von Öl um die Kugel herum während der normalen Kolbenkühlung auf. Das Shuttle kann in einen offenen Zustand federvorgespannt sein.
Die Kugel kann durch ein Widerlager in dem Shuttle gehalten werden.
Das auf Ausrichtung ansprechende Ventil kann weiterhin ein Druckventil aufweisen, welches ein Eindringen von Öl in das Ausrichtungsventil verhindert, wenn der Öldruck unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Das Ausrichtungsventil ist besonders für den Einsatz in Motoren mit V-Konfiguration mit mehreren Zylindern geeignet, zum Beispiel V8-, V10- und V12-Motoren, und pro V-Zylinderpaar wird ein Ventil benötigt. Das Ausrichtungsventil ist bei jedem Verbrennungsmotor verwendbar, welcher eine Kolbenkühleinrichtung aufweist, und ist besonders für Diesel- und Benzinmotoren geeignet.
Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen des Kolbens eines Verbrennungsmotors an die Hand gegeben, bei dem das Strömen von kühlendem Öl zum Kolben unterbrochen wird, wenn das Fahrzeug an einem Hang mit einem Gefälle über einem bestimmten Wert, typischerweise 25 Bogengrad (1-zu-2-Hügel), bergab weist.
Bei diesem Verfahren kann das Strömen von Öl mit Hilfe eines auf Ausrichtung ansprechenden Ventils unterbrochen werden, welches mittels eines unter Schwerkraft arbeitenden Ventilelements betätigt wird.
Bei diesem Verfahren wird der Kühlölstrom im Wesentlichen abgesperrt und die Ölreserve im Motorsumpf wird entsprechend angehoben und der unter Druck stehende Ölstrom wird bevorzugt zu anderen kritischeren Komponenten im Motor geleitet.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird beispielhaft und unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch einen Motor, welcher ein erfindungsgemäßes Ventil zeigt; und
2 einen Schnitt durch ein Shuttle entlang der Linie II-II in 1.
Beschreibung der Erfindung
Unter Bezug auf 1 wird ein Verbrennungsmotor 10 gezeigt, typischerweise ein Dieselmotor mit V-Konfiguration, beispielsweise ein V6- oder V8-Motor, mit mehreren Kolben 11, welche in jeweiligen Zylinderbohrungen 12 hin- und herbewegbar sind. Die Kolben 11 sind über Pleuel 13 mit einer Kurbelwelle, welche durch eine Strichlinie 14 dargestellt ist, in bekannter Weise verbunden.
Der Motor 10 weist einen Motorschmieröl-Hauptverteiler 15 auf, welcher eine von einer (nicht dargestellten) Ölpumpe in dem Motorsumpf gepumpte Ölmenge zu verschiedenen Motorkomponenten befördert, beispielsweise zu Hauptlagern, Pleuelköpfen, Steuerketten und Spannelementen, Nockenwelle etc., und welcher auch mehrere Kolbenkühldüsen 16 versorgt. Die Kolbenkühldüsen 16 spritzen zum Kühlen Öl auf die Rückseite (d. h. die Pleuelseite) der jeweiligen Kolben 11, wie gut bekannt ist.
Die unter Druck stehende Ölversorgung von dem Hauptverteiler 15 zu den Kühldüsen 16 passiert mehrere Strömungssteuerventilanordnungen 21, wobei eine jeweilige Steuerventilanordnung 21 für Zylinderpaare eines V-Motor vorhanden ist, so dass zum Beispiel ein V8-Motor vier Steuerventilanordnungen 21 aufweist, welche die für die Kolbenkühlung genutzte Ölzufuhr steuern.
Jede Steuerventilanordnung 21 weist einen Einlasskanal 22 mit einem auf Druck ansprechenden Ventil 23 darin auf, welches durch eine Feder 24 in einen geschlossenen Zustand vorgespannt ist. Öl kann nur in die Steuerventilanordnung 21 eindringen, wenn der Öldruck so groß ist, dass er die Vorspannung der Feder 24 überwindet und den Einlasskanal 22 öffnet.
Die Ventilanordnung 21 umfasst weiterhin ein Ausrichtungsströmventil 30, welches auf den Längsneigungswinkel des Fahrzeugs gegenüber der Horizontalen anspricht, um die Zufuhr von Schmiermittel zu den Kühldüsen 16 zu drosseln, wenn das Fahrzeug bei einem einen vorbestimmten Winkel übersteigenden Neigungswinkel bergab fährt. Das Strömventil 30 umfasst eine zylinderförmige Bohrung 25, welche bei einem Winkel α zur Horizontalen geneigt ist, wenn das Fahrzeug auf ebenem Boden steht. Der Winkel α ist der vorbestimmte Winkel und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 25–30 Bogengrad. Die Bohrung 25 erstreckt sich in einer Ebene, welche im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Fahrzeugs nach oben hin zum Vorderteil des Fahrzeugs ist. Ein Ölauslasskanal 26 befindet sich am oberen vorderen Ende der geneigten Bohrung 25 und ist über Durchlässe 27, 28 mit zwei Kühlöldüsen 16 (von denen nur eine dargestellt ist) für das jeweilige Paar von V-Konfigurationszylindern verbunden.
Jeder Ölstrom durch den Auslasskanal 26 wird durch ein auf Schwerkraft ansprechendes Ventilelement gesteuert, welches ein Shuttle 29 und eine Kugel 32 umfasst. Das Shuttle 29 ist zylinderförmig und kann sich in der zylinderförmigen Bohrung 25 gleitend hin- und herbewegen. Die äußere zylinderförmige Fläche des Shuttle 29 ist mit mehreren Längsnuten 33 versehen, welche das Strömen von Öl um das Shuttle herum zulassen. Das Shuttle 29 weist eine innere koaxiale Bohrung 34 auf, in welcher die Kugel 32 aufgenommen ist. Die Kugel 32 wird in dem Shuttle durch Widerlager 35, 36 an den beiden Enden der Bohrung gehalten. Das Widerlager 36 am oberen Ende des Shuttle hindert die Kugel 32 nicht, den Auslasskanal zu verschließen. Sowohl die Kugel als auch das Shuttle sollten aus einem Metallmaterial hoher Dichte hergestellt werden, beispielsweise Messing oder Bronze, um das Ansprechvermögen des Ventils auf die Schwerkraft zu maximieren.
Wenn ein Fahrzeug an einem den Winkel α, typischerweise 25°, übersteigenden Gefälle bergab weist, hat die Bohrung 25 eine Ausrichtung nach unten, und Schwerkraft und Öldruck, d. h. unter der Voraussetzung eines ausreichenden Drucks zum Öffnen des Einlasskanalventils 23, bewegen das Shuttle 29 und die Kugel 32, so dass sie den Auslasskanal 26 im Wesentlichen schließen. Sobald der Kanal geschlossen ist, hält der auf das Ventil wirkende Öldruck die Kugel in der geschlossenen Stellung und stoppt das Strömen von Kolbenkühlöl. Da bei Bergabbetrieb keine Kolbenkühlung erforderlich ist, kann der unter Druck stehende Ölstrom zu anderen, wichtigeren Funktionen gelenkt werden.
Wenn das Fahrzeug in die ebene oder nahezu ebene Ausrichtung zurückkehrt und die Neigung der Bohrung 25 zunimmt, überwindet die auf die Kugel und das Shuttle wirkende. Schwerkraft den Öldruck und öffnet den Auslasskanal 26. Das Shuttle und die Kugel kehren dann zum Boden der Bohrung 25 zurück und der Ölstrom zu den Kühldüsen wird wieder aufgenommen.
Um ein Anhaften des auf Ausrichtung ansprechenden Strömventils 30 zu verhindern, kann das Shuttle durch Verwendung einer Federscheibe weg vom Auslasskanal 26 federvorgespannt werden.

Claims

Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug, welcher mindestens einen Hubkolben mit Kolbenkühlung aufweist, bei welcher Schmieröl durch eine Düse auf die Rückseite des Kolbens gespritzt wird, wobei die Schmiermittelversorgung der Düse durch eine Ventilanordnung mit einem auf Ausrichtung ansprechenden Strömventil strömt, welches auf den Längsneigungswinkel des Fahrzeugs gegenüber der Horizontalen anspricht, um die Zufuhr von Schmiermittel zu der Düse zu drosseln, wenn das Fahrzeug bei einem einen vorbestimmten Winkel übersteigenden Neigungswinkel bergab fährt.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömventil ein Absperrventil ist, welches im Wesentlichen das Strömen von Kühlöl zu dem Kolben verhindert.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömventil schließt, wenn das Fahrzeug bei einer Neigung von über 25° (in etwa 1 in 2) bergab fährt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömventil umfasst: eine zylinderförmige Bohrung mit einem Auslasskanal an einem Ende, welcher mit mindestens einer Kühldüse verbunden ist, wobei an der Mündung des Auslasskanals ein Ventilsitz ausgebildet ist, und ein auf Schwerkraft ansprechendes Ventilelement, welches in der Bohrung bewegbar ist, um mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen des Strömventils zu greifen, wobei die Ventilbohrung nach oben zur Horizontale um den vorbestimmten Winkel geneigt ist, wenn sich der Motor in der Waagerechten befindet, so dass das Ventilelement in einem offenen Ventilzustand positioniert wird, und das Ventilelement zum Schließen des Strömventils bewegbar ist, wenn sich die Bohrung aufgrund der Fahrzeugausrichtung in der Waagrechten befindet oder nach unten geneigt ist.
Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Schwerkraft ansprechende Ventilelement eine Kugel ist.
Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel in einem Shuttle aufgenommen ist, welches sich in der Bohrung gleitend hin- und herbewegen kann.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Shuttle eine zylinderförmige Außenfläche mit Längsschlitzen oder -nuten darin für das Strömen von Öl während des normalen Kolbenkühlens an der Kugel vorbei aufweist.
Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Shuttle in einen offenen Ventilzustand federvorgespannt werden kann.
Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel durch ein Widerlager in dem Shuttle gehalten wird.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung weiterhin ein Druckventil umfasst, welches ein Eindringen von Öl in das Ausrichtungsventil verhindert, wenn der Öldruck unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Verfahren zum Kühlen eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, wobei das Strömen von Kühlöl zu dem Kolben unterbrochen wird, wenn das Fahrzeug an einem Hang mit einem einen vorbestimmten Winkel übersteigenden Gefälle bergab weist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömen von Öl mit Hilfe eines auf Ausrichtung ansprechenden Ventils, welches durch einen auf Schwerkraft ansprechenden Ventilverschluss betätigt wird, unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Ausrichtung ansprechende Ventil bei sich in der Waagerechten befindlichem Motor eine um den vorbestimmten Winkel nach oben zur Horizontale geneigte Ventilbohrung nutzt, so dass der auf Schwerkraft ansprechende Verschluss in einen offenen Ventilzustand gebracht wird, und der Ventilverschluss bewegbar ist, um das Ventil zu verschließen, wenn sich die Bohrung aufgrund der Fahrzeugausrichtung in der Waagerechten befindet oder nach unten geneigt ist.