DE4331649A1

DE4331649A1 - Piston cooling of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE4331649A1
Application number: DE19934331649
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Wahnschaffe
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1995-03-23

Abstract

In addition to a cooling duct sunk into the piston, a known piston cooling for a piston of an internal combustion engine has a spray nozzle which, comprising a plurality of components, is fixed as a separate part to the crankcase and is charged with oil from a separate oil supply line. After assembly, the said spray nozzle must be precisely aligned, using a special tool, with an opening for the oil supply of the cooling duct. According to the invention the manufacturing/assembly process is shortened and the cost of adjustment is reduced in that the oil emerges through a spray opening 11 arranged directly in a wall of the crankcase or the cylinder tube, and that the inlet opening into the cooling duct 7 has a collecting funnel 8 geometrically matched to the spray jet 11a. At the same time the spray opening 11 is not arranged precisely below the collecting funnel 8 - in relation to the axial direction of movement of the piston 1 - , but offset thereto. This has the additional effect of ensuring that over one part of the piston stroke the oil is sprayed onto the underside of the piston and over the remaining part of the piston stroke into the collecting funnel 8. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder bewegbarer Kolben über ein Pleuel angelenkt ist, wobei der Kol ben durch in einen an der Kolbenunterseite eingelassenen Kühlkanal eingespritztes Öl kühlbar ist.The invention relates to an internal combustion engine with a crankcase, in which a Crankshaft is rotatably mounted on the at least one in one of a cylinder head covered cylinder movable piston is articulated via a connecting rod, the Kol ben through oil injected into a cooling channel embedded on the underside of the piston is coolable.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 25 32 132 bekannt. Dabei wird das Öl durch eine Spritzdüse in den Kühlkanal eingespritzt. Die Spritzdüse ist unterhalb des Zylinders an diesem befestigt und weist im wesentlichen ein an der Wand be festigtes Winkelstück auf, in dessen ersten Schenkel eine Spritzdüse eingeschraubt und an dessen zweiten Schenkel eine Ölversorgungsleitung angeschraubt ist. Zur genauen Ausrichtung der Spritzdüse zu der Öffnung des Kühlkanals ist ein spezielles Werkzeug nötig, das die Spritzdüse, die zudem eine biegsame Stelle haben muß, zu der Öffnung des Kühlkanals ausrichtet. Dazu sind dann noch weitere Hilfsmittel wie zum Beispiel eine Lichtquelle und ein Spiegel notwendig. Zudem muß das Kurbelgehäuse der Brennkraft maschine eine seitlich in das Kurbelgehäuse eingelassene Öffnung aufweisen, durch die das Werkzeug und die Hilfsgeräte eingeführt werden können. Diese Öffnung muß selbstverständlich nach dem Ausrichten durch eine geeignete Verschlußwand ver schlossen werden. Somit ist diese Einrichtung durch die Vielzahl der benötigten Teile und des Montage- und Ausrichtaufwandes aufwendig.Such an internal combustion engine is known from DE-OS 25 32 132. Doing so the oil is injected into the cooling channel through a spray nozzle. The spray nozzle is below of the cylinder attached to this and essentially has a be on the wall consolidated angle piece, a spray nozzle screwed into the first leg and an oil supply line is screwed to its second leg. For exact Alignment of the spray nozzle to the opening of the cooling channel is a special tool necessary that the spray nozzle, which must also have a flexible point, to the opening aligns the cooling duct. Then there are other tools such as one Light source and a mirror necessary. In addition, the crankcase of the internal combustion engine engine have a side recessed into the crankcase through which the tool and the auxiliary devices can be introduced. This opening must of course after alignment by a suitable closure wall ver be closed. Thus, this device is due to the large number of parts required and the assembly and alignment effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die eine wirksame Kühlkanal-Kolbenkühlung aufweist, bei der der bauliche Aufwand gering ist. The invention has for its object to provide an internal combustion engine that has an effective cooling channel piston cooling, in which the construction effort is low is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Öl durch mindestens eine Spritzöffnung aus einer unterhalb des Kolbenstandortes im unteren Totpunkt gelegenen Wand austritt, wobei die Spritzöffnung direkt in die Wand eingelassen ist und daß die Eintrittsöffnung in den Kühlkanal einen geometrisch an den Spritzstrahl angepaßten Fangtrichter aufweist. Durch diese Ausbildung wird einerseits eine zusätzlich zu montie rende Spritzdüse mit all ihren Bauteilen sowie der notwendigen Ölversorgungsleitung komplett eingespart, da die Spritzöffnung direkt in die Wand eingelassen ist und ent sprechend über in der Wand eingelassene - beispielsweise beim Gießvorgang des Kur belgehäuses - Kanäle mit Öl versorgt wird, andererseits entfällt durch den geometrisch an den Spritzstrahl angepaßten Fangtrichter ein aufwendiges Justieren der Spritzöffnung beziehungsweise von in dieser eingelassenen Spritzdüsen. Dadurch wird nicht nur die Kolbenkühlung als solche vereinfacht, sondern darüber hinaus kann auch das Kurbel gehäuse durch den Entfall der Justieröffnung kostengünstiger hergestellt werden. Zudem sind bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenkühlung Montier- und Justierfehler ausgeschlossen.This object is achieved in that the oil by at least one Spray opening from a bottom dead center located below the piston location Wall emerges, the spray opening is embedded directly in the wall and that the Inlet opening in the cooling channel a geometrically adapted to the spray jet Has funnels. Through this training on the one hand an additional to montie spray nozzle with all its components and the necessary oil supply line completely saved, since the spray opening is embedded directly in the wall and ent talking about recessed in the wall - for example during the pouring process of the cure belgehäuses - channels is supplied with oil, on the other hand omitted due to the geometrical a complex adjustment of the spray opening to the spray jet or of spray nozzles embedded in it. This will not only make the Piston cooling as such is simplified, but in addition the crank can housing can be manufactured more economically by eliminating the adjustment opening. In addition are assembly and adjustment errors in the piston cooling designed according to the invention locked out.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Spritzöffnung direkt in ein Zylinderrohr einge lassen. Diese Ausbildung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Kurbelgehäuse einstückig mit den Zylinderrohren gegossen wird und die entsprechenden Kanäle und Öffnungen direkt mit eingegossen werden können. Dabei ist dann lediglich nach dem Gießvorgang bei dem Bearbeitungsvorgang des Kurbelgehäuses die Einspritzöffnung entsprechend den geometrischen Anforderungen aufzubohren. Bei Brennkraftmaschi nen, bei denen keine Kolbenkühlung benötigt wird, können diese Öffnungen durch einfa che Verschlußstopfen verschlossen werden. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch vorgesehen, die Öffnungen beim Gießvorgang nicht vollständig durch die Zylinderwand durchzuführen, sondern eine Verschlußwand vorzusehen, die dann gegebenenfalls auf gebohrt werden kann. Dabei ist dieser Bohrvorgang nicht aufwendiger als der Aufbohr vorgang der schon vorhandenen Öffnung.In a further development of the invention, the spray opening is inserted directly into a cylinder tube to let. This training is particularly useful when the crankcase is cast in one piece with the cylinder tubes and the corresponding channels and Openings can be cast in directly. It is then only after Pouring process in the machining process of the crankcase the injection opening to drill according to the geometric requirements. At internal combustion engines NEN, where no piston cooling is required, these openings can be made by simple che plugs are closed. However, it is also within the scope of the invention provided the openings during the casting process not completely through the cylinder wall perform, but to provide a closure wall, which then, if necessary can be drilled. This drilling process is no more complex than drilling operation of the already existing opening.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Spritzöffnung in eine Wand eines Kurbelwellen- Lagerstuhls eingelassen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß gegebenenfalls nur ein kurzer Verbindungskanal von der Spritzöffnung zu der Ölversorgungsleitung der Kurbel wellenlager erforderlich ist, die problemlos in das Kurbelgehäuse eingießbar ist. Zudem kann je nach der Ausbildung des Kurbelgehäuses die Anordnung der Spritzöffnung in der Wand eines Kurbelwellen-Lagerstuhls bezogen auf den Fangtrichter in der Kolben unterseite geometrisch und insbesondere spritztechnisch günstiger sein als in einem Zy linderrohr. Dabei ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, Spritzöffnungen so in den Kurbelwellen-Lagerstühlen anzuordnen, daß in jedes Zylinderrohr zwei Spritzöffnungen münden, wodurch eine wirkungsvolle Kühlung ermöglicht ist. Denkbar ist auch eine Kombination in beliebiger Ausgestaltung von Spritzöffnungen in einem Kurbelwellen-La gerstuhl und in einem Zylinderrohr.In a development of the invention, the spray opening is in a wall of a crankshaft Camp chair embedded. This training has the advantage that possibly only one Short connection channel from the spray opening to the crank oil supply line shaft bearing is required, which is easily poured into the crankcase. In addition Depending on the design of the crankcase, the arrangement of the spray opening in the wall of a crankshaft bearing chair related to the funnel in the piston underside be geometrically and in particular injection molding cheaper than in a Zy linder pipe. It is also provided according to the invention, spray openings in the To arrange crankshaft bearings that two spray openings in each cylinder barrel open, which enables effective cooling. One is also conceivable Combination in any configuration of spray openings in a crankshaft position chair and in a cylinder barrel.

Eine Weiterbildung der Brennkraftmaschine sieht vor, daß die Spritzöffnung in der Be wegungsachsrichtung des Kolbens versetzt zu dem Fangtrichter angeordnet ist. Wenn auch im allgemeinen eine genau in der Bewegungsachsrichtung des Kolbens unterhalb des Fangtrichters angeordnete Spritzöffnung für eine problemlose Kühlölversorgung der Kühlkanäle in dem Kolben vorteilhaft ist, kann durch die geometrische Versetzung der Spritzöffnung einerseits gegebenen baulichen Eigenheiten des Kurbelgehäuses besser Rechnung getragen werden und darüber hinaus noch eine - im nachfolgenden näher erläuterte - gezielte Ölversorgung des Kühlkanals erreicht werden.A further development of the internal combustion engine provides that the spray opening in the loading axis of movement of the piston is arranged offset to the catch funnel. If also generally one exactly in the direction of movement of the piston below of the funnel arranged spray opening for easy cooling oil supply to the Cooling channels in the piston is advantageous due to the geometric offset of the Spray opening on the one hand better given the structural characteristics of the crankcase Be taken into account and also one more - more detailed below explained - targeted oil supply to the cooling channel can be achieved.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fangtrichter so zu der Spritzöffnung ausgerichtet, daß er zumindest über eine Teilstrecke des Kolbenbewegungshubes zwischen dem un teren Totpunkt und dem oberen Totpunkt mit Öl beschickt wird. Durch diese Ausbildung, die zusammen mit der Versetzung der Spritzöffnung zu der Bewegungsachsrichtung des Kolbens erreicht wird, kann eine gezielte Steuerung der Kühlung des Kolbens erreicht werden. So ist es durch diese Ausbildung möglich, daß über einen ersten Bewegungs hubbereich des Kolbens das Öl "nur" an die Unterseite des Kolbens gespritzt wird, was zu einer geringeren Kühlleistung führt, und über den restlichen Kolbenhubbereich in den Fangtrichter und somit in den Kühlkanal eintritt, was zu einer erhöhten Kühlleistung führt. Dabei ist in Weiterbildung der Erfindung der Fangtrichter so zu der Spritzöffnung ausge richtet, daß er zumindest im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbenbewegungshu bes und/oder des Abwärtsbewegungshubes des Kolbens mit Öl beschickt wird. Dies hat den Vorteil, daß insbesondere dann, wenn die Temperaturentwicklung in dem Brenn raum durch entzündendes Verbrennungsgemisch am höchsten ist, eine intensivere Kühlung des Kolbens gewährleistet ist, als in den anderen Phasen.In a further development of the invention, the collecting funnel is aligned with the spray opening, that he at least over a portion of the piston movement stroke between the un tere dead center and top dead center is charged with oil. Through this training, which together with the displacement of the spray opening to the direction of movement of the Piston is reached, a targeted control of the cooling of the piston can be achieved become. So it is possible through this training that a first movement stroke range of the piston the oil "only" is sprayed onto the underside of the piston, which leads to a lower cooling capacity, and over the remaining piston stroke range in the Collecting funnel and thus enters the cooling channel, which leads to an increased cooling capacity. In a further development of the invention, the catch funnel is out to the spray opening judges that he at least in the area of top dead center of the piston movement bes and / or the downward stroke of the piston is charged with oil. this has the advantage that especially when the temperature development in the furnace space is highest due to the combustible combustion mixture, a more intensive one Cooling of the piston is ensured than in the other phases.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Geometrie des Fangtrichters in Abhängigkeit der Lagekoordinaten der Spritzöffnung und des Fangtrichters sowie des Abstandes zwischen Spritzöffnung und Fangtrichter bestimmt. Dadurch kann im Konstruktionsstadium der Brennkraftmaschine leicht und zuverlässig die genaue Dauer der unterschiedlichen Kol benkühlintensitäten, die durch das Auftreffen des Spritzöls auf die Kolbenunterseite und in den Fangtrichter bestimmt sind, festgelegt werden.In a development of the invention, the geometry of the catch funnel is dependent on the Position coordinates of the spray opening and the catch funnel as well as the distance between Spray opening and catch funnel determined. This allows the Internal combustion engine easily and reliably the exact duration of the different Kol cooling intensities caused by the impact of the spray oil on the underside of the piston and are defined in the catch funnels.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrie ben ist.Further advantageous refinements of the invention can be found in the description of the drawing remove, in which an embodiment shown in the figures described in more detail ben is.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben entlang der Kolbenbolzenachse und mit einer in die Zylinderwand eingelassen Spritzöffnung, Fig. 1 shows a section through a piston along the piston pin axis and having a recessed into the cylinder wall injection port

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kolbens nach Fig. 1 mit zugeordneter Spritzöff nung, Fig. 2 is a side view of the piston of FIG. 1 with an associated voltage Spritzöff,

Fig. 3 eine Ansicht des Kolbens auf die Kolbenunterseite mit der zugeordneten Spritzöffnung, Fig. 3 is a view of the piston on the piston lower side with the associated spray opening,

Fig. 4 eine Detailansicht der Fangöffnung in der Kolbenunterseite in der X-Achse gemäß Fig. 1 und Fig. 4 is a detailed view of the catch opening in the piston underside in the X-axis according to Fig. 1 and

Fig. 5 eine entsprechende Ansicht in der Y-Achse gemäß Fig. 2. Fig. 5 shows a corresponding view in the Y-axis of FIG. 2.

Ein Kolben 1 beispielsweise für eine selbstzündende Brennkraftmaschine weist eine Kolbenoberseite 2 auf, in die gegebenenfalls eine im Ausführungsbeispiel nicht darge stellte Brennraummulde eingelassen sein kann. Der Kolben 1 weist auf seinem Außen umfang Ringnuten 3 auf, in die entsprechend den Erfordernissen ein Ölabstreifring und ein oder mehrere Kolbenringe eingesetzt werden. Weiterhin weist der Kolben im Bereich des Kolbenschaftes 4 ein Bolzenauge 5 auf, in das ein Kolbenbolzen einsetzbar ist, der ein Pleuel gelenkig mit dem Kolben 1 verbindet. In den Kolbenboden 6 ist ein Kühlkanal 7 eingelassen, der mit Öl aus dem Schmierölkreislauf oder einem separaten Kühlölkreis lauf der Brennkraftmaschine mit Öl versorgbar ist. Dazu ist eine Eintrittsöffnung in die Kolbenunterseite eingelassen, die als Fangtrichter 8 (Fig. 3) ausgebildet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite zu dem Fangtrichter 8 ist eine Abflußöffnung 9 zum Austritt des Kühlöls vorgesehen. Die Bewegungsachsrichtung des Kolbens ist im übrigen durch die mit a gekennzeichneten Pfeile dargestellt.A piston 1 , for example for a self-igniting internal combustion engine, has a piston top 2 , into which a combustion chamber trough, which is not shown in the exemplary embodiment, may be embedded. The piston 1 has on its outer circumference ring grooves 3 , in which an oil scraper ring and one or more piston rings are used according to the requirements. Furthermore, the piston has a pin eye 5 in the area of the piston skirt 4 , into which a piston pin can be inserted, which connects a connecting rod to the piston 1 in an articulated manner. In the piston crown 6 , a cooling channel 7 is embedded, which can be supplied with oil from the lubricating oil circuit or a separate cooling oil circuit of the internal combustion engine. For this purpose, an inlet opening is let into the underside of the piston, which is designed as a funnel 8 ( FIG. 3). On the opposite side to the funnel 8 , a drain opening 9 is provided for the exit of the cooling oil. The direction of movement of the piston is shown by the arrows marked a.

In der Zylinderwand 10 ist eine Spritzöffnung 11 eingelassen, aus der das Öl - dargestellt über den Pfeil 11a - austritt. Dabei sind die Spritzwinkel für den Ölstrahl in X-, Y-, Z-Richtung gemäß den Fig. 1 bis 3 mit den entsprechenden Winkelbezeich nungen α, β, γ bezeichnet.In the cylinder wall 10 there is an injection opening 11 from which the oil - shown by the arrow 11 a - emerges. The spray angles for the oil jet in the X, Y, Z directions according to FIGS . 1 to 3 are designated with the corresponding Winkelbezeichen α, β, γ.

In den Fig. 4 und 5 ist die Ausbildung des Fangtrichters 8 - wiederum bezogen zur X-Achse und Y-Achse - entsprechend den Fig. 1 und 2 dargestellt. Bezogen zu der Kolbenbewegungsachsrichtung a ist die Geometrie des Fangtrichters 8 durch die Winkel δ, ε dargestellt, während die Winkel in der Y-Ebene wiederum bezogen zu der Bewe gungsachsrichtung a durch die Winkel ξ, η bestimmt sind. Die Winkel α, β, γ, δ, ε, ξ, η werden konstruktiv in Abhängigkeit von insbesondere der gewünschten in den Fangtrich ter 8 einzuspritzenden Ölmenge unter Berücksichtigung des sich im Laufe der Kolben bewegung von dessen unteren Totpunkt zu dessen oberen Totpunkt ändernden Abstan des von der Spritzöffnung 11 bis zu dem Fangtrichter 8 festgelegt. Dabei handelt es sich um eine einfache geometrische Beziehung mit einer Variablen während der Kolbenbe wegung, nämlich der Bewegungskoordinate Z′. Durch entsprechende Festlegung der einzelnen Winkel kann über die Bewegungskoordinate Z′ einfach festgelegt werden, bis zu welchem Bewegungspunkt das aus der Spritzöffnung 11 gemäß dem Pfeil 11a austre tende Spritzöl auf die Kolbenunterseite oder in den Fangtrichter 8 eintritt.In Figs. 4 and 5, the training of the drogue is 8 - again with respect to the X axis and Y axis - corresponding to Figures 1 and 2... Relative to the piston movement axis direction a, the geometry of the collecting funnel 8 is represented by the angles δ, ε, while the angles in the Y plane are in turn determined in relation to the movement axis direction a by the angles ξ, η. The angles α, β, γ, δ, ε, ξ, η are constructively dependent on, in particular, the desired quantity of oil to be injected into the catch funnel 8 , taking into account the changing distance during the piston movement from its bottom dead center to its top dead center from the spray opening 11 to the catch funnel 8 . This is a simple geometric relationship with a variable during the piston movement, namely the movement coordinate Z '. By appropriate setting of the different angle on the moving coordinate Z 'are simply determined, up to which point of movement the arrow 11 a austre tend spray oil on the piston lower side or in the drogue 8 enters from the spray hole 11 according to.

Claims

1. Internal combustion engine with a crankcase, in which a crankshaft is rotatably mounted, on which at least one piston movable in a cylinder covered by a cylinder head is articulated via a connecting rod, the piston being coolable by oil injected into a cooling channel embedded in the piston underside, characterized in that the oil exits through at least one spray opening ( 11 ) from a wall below the piston location at bottom dead center, the spray opening ( 11 ) being embedded directly in the wall and in that the inlet opening into the cooling channel ( 7 ) is geometrically similar the spray jet ( 11 a) has adapted funnel ( 8 ).

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the spray opening ( 11 ) is left in a cylinder tube wall.

3. Internal combustion engine according to claim 1 or claim 2, characterized in that the spray opening ( 11 ) is embedded in a wall of a crankshaft bearing chair.

4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spray opening ( 11 ) in the movement axis direction a of the piston ( 1 ) is arranged offset to the catch funnel ( 8 ).

5. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the catch funnel ( 8 ) is directed out to the spray opening ( 11 ) that it is charged with oil at least over a portion of the piston movement stroke between bottom dead center and top dead center.

6. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the catch funnel ( 8 ) is directed towards the spray opening ( 11 ) in such a way that it is in the region of the top dead center of the piston movement stroke and / or the downward movement stroke of the piston ( 1 ) with oil is loaded.

7. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the geometry of the collecting funnel ( 8 ) is determined as a function of the position coordinates of the spray opening ( 11 ) and the collecting funnel ( 8 ) and the distance between the spray opening ( 11 ) and the collecting funnel ( 8 ) .