[0001] Die Erfindung betrifft eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Hauptanspruches.
[0002] In hochbelasteten Brennkraftmaschinen müssen häufig die Kolben gekühlt werden, um
zu hohe Kolbentemperaturen zu vermeiden. Eine übermäßig hohe Kolbentemperatur wirkt
sich insbesondere bei Leichtmetallwerkstoffen negativ auf die Dauerfestigkeit des
Kolbens aus. Darüber hinaus treten bei sehr hohen Kolbentemperaturen mitunter Probleme
durch thermisch bedingten Ölkohleaufbau und durch Ablagerungen in den Kolbenringnuten
auf. Weiterhin vergrößern sich mit der Zunahme der Kolbentemperatur aufgrund der Wärmedehnung
die Abweichungen von der ursprünglichen Kolbengeometrie. Die Bereiche höchster Temperaturen
des Kolbenbodens sind abhängig von der Lage der Zündkerze, der Ventilgeometrie und
dem Zündzeitpunkt. Dabei liegt der Bereich höchster Temperaturen zumeist im Bereich
der Auslaßventile.
[0003] Eine wirksame und relativ preisgünstige Lösung zur Senkung der Kolbenbodentemperaturen
ist die Anspritzung des Kolbenbodens mit Schmieröl aus dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine.
Dazu werden im Bereich des Kurbelgehäuses bzw. des Kurbeltriebes Spritzdüsen angeordnet,
die mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden sind und deren Ölstrahl
auf die Unterseite des Kolbenbodens gerichtet ist. Eine derartige Spritzdüse ist beispielsweise
in der DE 40 12 475 C2 beschrieben. Bei derartigen Kolbendüsen zur Ausbildung eines
Vollstrahls hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Temperatur des Öls und damit einhergehender
Verringerung der Ölviskosität bei gleichzeitig höheren Öldrücken eine Auffächerung
des Ölstrahls erfolgt, so daß kein gezielter, gebündelter Ölstrahl mehr an den Kolbenboden
gelangt.
[0004] Aus der DE 31 25 835 C2 ist darüber hinaus eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Mündungskanal durch Faltung eines Rohres
gebildet wird, wobei die Form des Mündungskanals von der Kreisform abweicht.
[0005] Aus der DE 25 05 019 A1 ist eine Spritzdüse bekannt, mit der zwei oder mehr Ölstrahlen
erzeugt werden, die unterschiedliche Bereiche des Kolbenbodens beaufschlagen.
[0006] Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Spritzdüse für die Kolbenkühlung
einer Brennkraftmaschine so zu verbessern, daß über den gesamten Betriebstemperaturbereich
der Brennkraftmaschine und des Schmieröls und insbesondere bei hohen Schmieröltemperaturen
eine gezielte, gebündelte Beaufschlagung des Kolbens und damit eine wirksame Kühlung
erreicht wird. Eine derartige Spritzdüse soll dabei einfach und kostengünstig herzustellen
sein und ohne bauliche Änderungen an der Brennkraftmaschine anstelle der gattungsgemäßen
Spritzdüsen eingesetzt werden können.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
[0008] Durch die Ausbildung mindestens zweier zumindest annähernd paralleler Mündungskanäle
in der Spritzdüse, deren Abstand kleiner ist als der zweifache Durchmesser des größeren
Mündungskanals, ist eine gezielte und sichere Beaufschlagung des Kolbenbodens auch
bei hohen Öltemperaturen möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Mündungskanäle
bilden sich bei gleicher Gesamtdurchflußmenge gegenüber einer herkömmlichen Spritzdüse
auch bei hohen Temperaturen des Öls und hohen Drücken laminare Strömungen innerhalb
des Kanals aus, die eine frühzeitige Auffächerung des Ölstrahls verhindern. Dabei
hat sich gezeigt, daß durch die Ausbildung zweier eng benachbarter Mündungskanäle
ein Strahlbild zu erzielen ist, bei dem bereits etwa 10 mm bis 30 mm nach der Düsenmündung
eine Bündelung zu einem Vollstrahl erfolgt. Eine damit einhergehende Verbesserung
der Kolbenkühlung ist ohne bauliche Änderungen an der Brennkraftmaschine zu erzielen.
Es braucht gegenüber herkömmlichen Spritzdüsen nur das mit den Mündungskanälen versehene
Endstück gegen ein Endstück mit zwei oder mehr parallelen Mündungskanälen ausgetauscht
werden. Der Düsenträger bzw. der in die entsprechende Aufnahmebohrung der Brennkraftmaschine
eingesetzte Düsenträger kann genau wie bei herkömmlichen Spritzdüsen ausgebildet werden.
[0009] Eine besonders gute und scharfe Bündelung des Ölstrahls ergibt sich, wenn der Druchmesser
der Mündungskanäle etwa zwischen 0,8 mm und 1,5 mm liegt.
[0010] Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Bündelung des sich ergebenden Vollstrahls
besonders gut und die Auffächerung besonders gering sind, wenn der Abstand der Mündungskanäle
im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm beträgt.
[0011] Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Durchmesser der zwei oder mehr Mündungskanäle
gleich ist. Dadurch ergibt sich ein besonders gleichmäßig ausgebildeter Vollstrahl,
der sehr genau auf den Kolbenboden des zu kühlenden Kolbens ausgerichtet werden kann.
[0012] Ein besonders günstiger Strömungsverlauf innerhalb des Mündungskanals und eine damit
einhergehende scharfe Bündelung des austretenden Ölstrahls ergibt sich, wenn der Eingangsbereich
in den Mündungskanal kegelförmig erweitert ist.
[0013] Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau einer derartigen Spritzdüse wird
erreicht, wenn diese ein Düsenendstück mit den darin ausgebildeten Mündungskanälen
aufweist, das in ein hülsenartiges Trägerbauteil eingesetzt ist. In diesem trägerartigen
Hülsenbauteil kann dann beispielsweise ein Rückschlagventil integriert sein.
[0014] Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und der Beschreibung.
[0015] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung
näher erläutert.
[0016] Letztere zeigt in
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spritzdüse,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch ein Düsenendstück dieser Spritzdüse,
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf die Austrittsseite des Düsenendstückes und
- Fig. 4
- eine Abwandlung des Trägerbauteils nach Fig. 1.
[0017] Die in Fig. 1 dargestellte Spritzdüse 1 für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine
besteht im wesentlichen aus einem Trägerbauteil 2 und einem damit verbundenen Düsenendstück
3. Das Trägerbauteil 2 hat einen Bodenabschnitt 4 und ein davon ausgehenden hülsenförmigen
Abschnitt 5. Im Bodenabschnitt 4 sind eine Zulaufbohrung 6 und ein daran angrenzender
Ventilsitz 7 ausgebildet. Im eingebauten Zustand der Spritzdüse 1 ist die Zuführbohrung
6 mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Im Inneren des hülsenförmigen
Abschnittes 5 ist ein mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkendes Ventilglied 8 geführt,
das in diesem Ausführungsbeispiel als Ventilkugel ausgebildet ist. Das Ventilglied
8 wird gegen die Wirkung des über die Zuführbohrung 6 strömenden Öls durch eine Feder
9 gegen den Ventilsitz 7 gepreßt und wirkt als Rückschlagventil. Die Feder 9 stützt
sich einerseits am Ventilglied 8 und andererseits an einer umlaufenden Schulter 10
des Düsenendstückes 3 ab.
[0018] Das Düsenendstück 3 besteht aus zwei zylindrischen Abschnitten, einem ersten Abschnitt
11 größeren Durchmessers und einem zweiten Abschnitt 12 kleineren Durchmessers. Zwischen
den beiden zylindrischen Abschnitten 11 und 12 ist ein kegelförmiger Übergangsbereich
13 ausgebildet. Das Düsenendstück 3 ist so in das Trägerbauteil 2 eingesetzt, daß
die freie Stirnseite 14 des ersten Abschnittes 11 an einer umlaufenden Schulter 15
des Trägerbauteils 2 anliegt. Durch Umbördeln des freien Randes 16 des Trägerbauteils
wird das Düsenendstück gehalten. Der freie Rand bzw. der umgebördelte Abschnitt des
freien Randes 16 liegt dann am kegelförmigen Übergang 13 an. Von der freien Stirnseite
14 ausgehend verläuft im ersten zylindrischen Abschnitt 11 eine Bohrung 17, die sich
kegelförmig bis zur Schulter 10 hin verjüngt. Vom Boden 18 dieser Bohrung gehen zwei
parallele Mündungskanäle 19, 20 aus, die sich bis in den zweiten Abschnitt 12 erstrecken
und diesen durchdringen. Der Eintrittsbereich 21, 22 der beiden Mündungskanäle 19,
20 ist zur Bohrung 17 hin kegelförmig erweitert. Der Kegelwinkel beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel etwa 45°.
[0019] Die beiden Mündungskanäle 19 und 20 haben in diesem Ausführungsbeispiel die gleichen
Abmessungen, d.h. Länge und Durchmesser d sind gleich. Der Durchmesser d der beiden
Mündungskanäle beträgt in diesem Ausführungsbeispiel jeweils 1,2 mm. Es ist jedoch
ohne weiteres möglich, den Durchmesser in Abhängigkeit von Öldruck, Düsenlänge und
Abstand des Kolbenbodens zwischen 0,8 mm und 1,5 mm zu variieren. Der Abstand a der
beiden Mündungskanäle 19, 20 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1,5 mm, kann jedoch
im Bereich zwischen etwa 1,0 mm und 2,0 mm variiert werden. Um eine möglichst frühzeitige
Bündelung der beiden austretenden Teilstrahle in einen Vollstrahl zu erreichen, sollte
der Abstand a der beiden Mündungskanäle relativ klein gehalten werden, d.h. der Abstand
a sollte kleiner als der zweifache Mündungskanaldurchmesser d sein.
[0020] In Fig. 4 ist eine Abwandlung des in Fig. 1 beschriebenen Trägerbauteils 2 dargestellt,
das sich durch die Ausbildung des Rückschlagventils von diesem unterscheidet. In dieser
Abwandlung ist das Ventilglied 8 als Ventilkegel ausgebildet. Durch diese Ausbildung
läßt sich gegenüber der kugeligen Ausbildung des Ventilgliedes 8 eine deutliche Verringerung
der Schalthysterese erzielen.
[0021] Es hat sich im Zusammenhang mit Untersuchungen der erfindungsgemäßen Düse gegenüber
herkömmlichen Spritzdüsen mit nur einem Mündungskanal gezeigt, das sich bei gleichbleibender
Durchflußmenge gegenüber einer Bohrung mit größerem Durchmesser die Reynoldszahlen
und die laminaren Anlaufstrecken deutlich reduzieren lassen. Die kleineren Reynoldszahlen
bei der erfindungsgemäßen Spritzdüse mit zwei oder mehr Mündungskanälen stellen sicher,
daß die Strömung auch noch bei hohen Temperaturen und damit geringeren Viskositäten
und auch bei höheren Drücken und damit höheren Strömungsgeschwindigkeiten laminar
bleibt und nicht in den Bereich turbulenter Strömungen gerät. Aufgrund der Drosselwirkung
der relativ kleinen Durchmesser der Mündungskanäle stellt sich zusätzlich innerhalb
des Trägerbauteils ein höherer Gegendruck ein, der sich positiv auf die Hysterese
zwischen Öffnungs- und Schließdruck des Rückschlagventiles auswirkt. Damit ist ein
sicheres und definiertes Öffnungs- und Schließverhalten des Rückschlagventils innerhalb
eines sehr engen Druckbereiches möglich.
[0022] Im Gegensatz zum hier dargestellten Ausführungsbeispiel können im Düsenendstück in
Abhängigkeit von dem erforderlichen Öldurchsatz, dem zur Verfügung stehenden Öldruck
und der Entfernung des Düsenendstückes vom zu beaufschlagenden Kolbenboden auch mehr
als zwei Mündungskanäle vorgesehen werden. Dabei ist eine symmetrische Anordnung der
Düsenkanäle vorteilhaft. So können beispielsweise drei Mündungskanäle so angeordnet
werden, daß ihre Achsen ein gleichseitiges Dreieck bilden.
1. Spritzdüse für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Mündungskanal
(19, 20) zur Erzeugung eines Vollstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens
zwei zumindest annähernd parallele Mündungskanäle (19, 20) aufweist, deren Abstand
a kleiner als 2d (Durchmesser des größeren Mündungskanales) ist.
2. Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d der Mündungskanäle
(19, 20) 0,8mm bis 1,5mm beträgt.
3. Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d der Mündungskanäle
(19, 20) etwa 1,2mm beträgt.
4. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand a der Mündungskanäle (19, 20) 1,0mm bis 2,0mm beträgt.
5. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand a der Mündungskanäle (19, 20) etwa 1,5mm beträgt.
6. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser d der Mündungskanäle (19, 20) gleich ist.
7. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mündungskanäle (19, 20) an ihrem Eintrittsende (21, 22) kegelförmig erweitert sind.
8. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kegelwinkel etwa 45° beträgt.
9. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese
eine Düsenendstück (3) mit den darin ausgebildeten Mündungskanälen (19, 20) hat, das
in ein hülsenartiges Trägerbauteil (2) eingesetzt ist.
10. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im
Trägerbauteil (2) ein Rückschlagventil (7, 8) ausgebildet ist.
11. Spritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Rückschlagventil ein kegelförmiges Ventilglied (8) hat.