DE4431133C2 - Verfahren zur Reduktion der wärmeaktiven Masse und der Wärmeverluste im Schmierölsystem von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines zusätzlichen Ölwärmetauschers - Google Patents

Description

Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungs­ motor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird anhand einfacher thermodynamischer Überlegungen sehr schnell klar, daß in Zukunft wesentlich effizien­ ter bei der Verwendung der Abwärme aus dem Antriebsmotor umgegangen werden muß.

Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingun­ gen bereits heute am Markt befindliche Fahrzeuge mit hocheffizienten Dieselmotoren Probleme beim Aufheizen des Motors.

So beschreibt beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 36 33 094 A1 bereits Auswir­ kungen des Wärmedefizits auf Motoröl- und Kabinenaufwärmung sowie Maßnahmen zur Verbesserung der Ölerwärmung. Ebenso beschreiben die Schriften DE 33 35 307 A1 und DE-PS 3 20 109 Maßnahmen für ein schnelleres Aufwärmen des Motoröls. Maßnah­ men, die auf eine Kontrolle der Wärmeverluste z. B. über die Ölwanne an die Umgebung abzielen, sind hierbei bisher nicht berücksichtigt.

Die sorgfältige Analyse des Gesamtsystems Kraftfahrzeug - Motor - Umgebung und insbesondere die Analyse der Wärmeverluste an die Umgebung führt jedoch auf die Schlußfolgerung, daß durch die Reduktion der Verluste an die Umgebung noch ein ge­ wisses Potential besteht.

Ansatzpunkte hierzu bieten die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der Isolation der Kabine und die Rückkgewinnung von Wärme aus dem Abgas.

Diese Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste sind bekannt und werden teil­ weise auch bereits mit Erfolg serienmäßig in manchen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Sie sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, was sie speziell für kleine Fahr­ zeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoff­ verbrauch und somit auch wenig Abwärme.

Speziell die thermische Kapselung ist mit einem sehr großen Aufwand verbunden. Dabei genügt es zur vollen Ausschöpfung des Potentials dieser Maßnahme nicht, jegliche Luft­ bewegung an Motor samt Zusatzaggregaten augrund von Zwangskonvektion und auf­ grund von Auftriebsströmungen an warmen Motorbauteilen durch eine entsprechende Verkleidung zu unterbinden, sondern es muß auch jegliche Wärmeleitung zur Umgebung unterbunden werden. Speziell im Bereich der Nebenagregate und der Motoraufhängung etc. ist dies mit einem nicht zu unterschätzenden Mehraufwand verbunden.

Doch selbst wenn eine weitgehende thermische Kapselung erfolgreich durchgeführt ist, ergibt sich zusätzlich ein relativ großer Aufwand bei der Ausgestaltung der Kühlluftführun­ gen zur Zwangsbelüftung des Motors und der Nebenaggregate bei hohen Umgebungstem­ peraturen und hoher Motorlast ebenso wie zur Vermeidung des potentiellen Wärmestaus beim Abstellen des Fahrzeugs nach längerer Vollastfahrt. Neben dem Entwicklungs- und Bauteilaufwand ergibt sich in diesem Zusammenhang auch ein erhöhter reglungstechni­ scher Aufwand.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Reduzierung der Wärmeverluste an die Umgebung zu schaffen.

Dabei soll das angesprochene Verfahren auch im normalen winterlichen Fahrbetrieb die Wärmeverluste reduzieren, so daß die Aufheizdauer des Motors reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbetrieb keine Unterkühlung des Motors auftritt.

Insbesondere besteht in diesem Zusammenhang die Aufgabe, die Einsparung der Wärme­ verluste mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten vorzu­ nehmen. Aus den bereits beschriebenen Gründen soll in diesem Zusammenhang der Aufwand für eine vollständige thermische Kapselung des Motors samt Nebenaggregaten vermieden oder zumindest reduziert werden.

Hierbei sind weiterhin potentielle negative Auswirkungen auf den Betrieb von Motor, Heiz- und Kühlsystem für diejenigen Fahrsituationen sicher zu vermeiden, in denen kein Heizleistungsdefizit besteht.

Zur Lösung werden die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale herangezogen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung des Schmieröls von Antriebsmaschinen mit Druckumlaufschmierung, insbesondere um ein Verfahren zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, welches da­ durch gekennzeichnet ist, daß als Ergänzung bestehender Schmierölsysteme ein zusätz­ licher Öl/Öl-Wärmetauscher in das Schmierölsystem integriert ist, welcher zur Ölwanne zurückströmendes Öl erhöter Temperatur, insbesondere das von den Zylinderwänden, dem Kolben, den oberen Bereichen des Kurbelgehäuses und das von der Kurbelwelle abtropfende bzw. abgeschleuderte Öl und gegebenenfalls auch das vom Turbolader zurückströmende Öl, abkühlt und dessen Wärmeenergie auf das über die Ölpumpe zu den Schmier- und Kühlstellen geförderte Frischöl überträgt.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Grundgedankens nach Anspruch 1, wird eine Schaltung vorgeschlagen, durch die das Öl durch das bedarfsweise Öffnen einer Venti­ leinrichtung 14, 14a zur Wärmeabgabe an einen Luft- oder Kühlwasserstrom geleitet wird.

Als Beispiel für diese Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen Fig. 1 ein Beispiel für eine serienmäßige Trockensumpfschmierung und Fig. 2 die erfindungsgemäße Einbindung des zusätzlichen Öl/Öl-Wärmetauschers 21.

Das Schmieröl wird hierbei durch die Ölförderpumpe 5, über die Saugleitung 4 mit dem Ölsaugrüssel 3 aus der am Motor 2 bzw. an dessen Kurbelgehäuse angeschraubten Ölwanne 1 angesaugt und über den Ölfilter 6 zum Ölvorratsbehälter 7 gefördert. Hierbei liegt ein Bypaß mit Überdruckventil 19 parallel zum Ölfilter, um auch bei verstopftem Ölfilter eine sichere Motorschmierung und -kühlung zu gewährleisten. Der eigentliche Schmieröldruck wird über die Ölpumpe 9 aufgebaut, welche das Öl über den Saugrüssel 8 ansaugt, und je nach Öltemperatur, d. h. je nach Stellung der Ventileinrichtung 14 entweder direkt über die Ölleitungen 10 und 15 zu den einzelnen Schmier- und Kühl­ stellen leitet oder über die Ölleitung 11, den Ölkühler 12, und die Ölleitungen 13 und 15 zu den Motorschmierstellen. Weiterhin münden die Entlüftungsleitung 16 und eine Überdruckleitung mit Sicherheitsventil 18 in den Ölvorratsbehälter.

Wird nun, wie in Fig. 2 exemplarisch dargestellt, über die Ölleitungen 4a und 4b ein klei­ ner Öl/Öl-Wärmetauscher 21 in das Schmierölsystem integriert, welcher die Wärmeener­ gie des warmen Rücklauföls auf das vom kalten Boden der Ölwanne angesaugte Frischöl überträgt, so können die Wärmeverluste über die Ölwannenoberfläche an die Umge­ bung reduziert werden. Die Ventileinrichtung 14a in Fig. 2 erlaubt hierbei eine genau kontrollierte Erhöhung oder Reduktion der Wärmeverluste des Öls über die Ölwanne, indem der Öl/Öl-Wärmetauscher 21 bei erhöhtem Kühlbedarf einfach umgangen wird. Bei hinreichender Dimensionierung des Ölkühlers 12 kann die Ventileinrichtung 14a aber auch entfallen, da dann ein mögliches Überhitzen des Öls alleine durch die serienübli­ chen Ventileinrichtung 14 verhindert wird.

Am Kreislauf in Fig. 1 wird deutlich, daß eine Vielzahl mit dem Öl in Kontakt treten­ der Bauteile außerhalb des Motors liegen und somit Wärme an die Umgebung abgeben. Weiterhin ist auch ersichtlich, daß die vielen Bauteile und der darin enthaltene Ölanteil eine nicht zu vernachlässigende wärmeaktive Masse darstellen, welche einen schnellen Motorwarmlauf verhindert. Als weitere Verbesserung ist es vor diesem Hintergrund bei Motoren mit Trockensumpfschmierung vorteilhaft, den Öl/Öl Wärmetauscher 21 nicht wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt direkt hinter dem Saugrüssel 3 in den Ölkreislauf ein­ zubinden, sondern die Frischölleitung 15 zuerst durch den Öl/Öl-Wärmetauscher und dann erst zu den Motorschmierstellen zu führen.

Die aus den angesprochenen Maßnahmen resultierenden Vorteile in bezug auf eine Mi­ nimierung der Wärmeverluste an die Umgebung und auch in bezug auf eine schnelle Aufheizung des gesamten Motors liegen auf der Hand. Auf indirektem Wege verbessern sich hierdurch auch der Verschleiß, der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissio­ nen.

Bei Motoren mit reduziertem Anfall von Abwärme im Ölsystem kann gegebenenfalls vollständig auf den Ölkühler 12 verzichtet werden. Die Schaltbarkeit der Wärmeverlu­ ste über die Ölwanne 1 übernimmt dann gemeinsam mit den übrigen Wärmeverluste im Ölkreislauf die Aufgabe, eine Überhizung des Motoröls bei allen Betriebszuständen sicher zu vermeiden.

Die bisherigen Ausführungsbeispiele haben sich auf Schmierölsysteme mit der relativ aufwendigen Trockensumpfschmierung beschränkt. Derartige Schmierölsysteme finden im PKW-Bau bekanntlich bevorzugt bei extrem hochbelasteten Motoren, bei Rennmo­ toren und bei Motoren für Geländefahrzeuge Anwendung.

Aber auch bei weniger stark belasteten Motoren, die i. a. dadurch gekennzeichnet sind, daß eine Druckumlaufschmierung ohne externen Ölbehälter Verwendung findet, d. h. daß die Ölwanne gleichzeitig als Vorratsbehälter dient, kann das erfindungsgemäße Ver­ fahren angewendet werden.

Ob hierbei, wie in Fig. 2 exemplarisch dargestellt, eine saugseitige Integration in die Ölleitung 4a, 4b erfolgt, oder ob besser eine Anordnung auf der Druckseite d. h. hinter der Ölpumpe - derartige Systeme haben bekanntlich nur eine Ölpumpe - erfolgt, hängt von den geometrischen Randbedingungen und den Eigenschaften der Ölpumpe ab.

Thermodynamisch gesehen ist hierbei die Einbindung auf der Druckseite vorteilhaft, insbesondere wenn die Einbindung hinter dem Ölfilter erfolgt. Auch entfallen dann potentielle Probleme mit einem zu großen Druckabfall in der Saugleitung. Aus geome­ trischen Gründen wird aber wohl vielfach eine Einbindung des Öl/Öl-Wärmetauschers auf der Saugseite erfolgen.

Wie bereits bei der Trockensumpfschmierung ist auch die in Fig. 2 eingezeichnete Ventileinrichtung 14a nur dann erforderlich, wenn der motorexterne Ölkühler 12 mit Ventileinrichtung 14 nicht vorhanden ist. Ansonsten kann der entsprechend dimen­ sionierte Ölkühler 12 die über den Öl/Öl-Wärmetauscher eingesparten Wärmeverluste an die Umgebung bei Bedarf kompensieren, so daß kein überhitzen des Motoröls zu befürchten ist.

Bei der Anordnung des Öl/Öl-Wärmetauschers ist es vorteilhaft, diesen, wie in Fig. 2 angedeutet, oberhalb des Ölspiegels anzuordnen, um einen Kontakt mit dem kalten Öl im unteren Bereich der Ölwanne zu vermeiden. Zur Reduktion des Bauraums und auch zur Reduktion des Gewichts kann es aber auch zweckmäßig sein, den Öl/Öl-Wärme­ tauscher bzw. das angesprochene Ölsammelblech weiter unten anzuordnen und u. U. gleichzeitig als Spritzwand zu verwenden.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit besonderen Vorzügen bezüglich der Systemkosten, der Systemkomplexität und des Einbauvolumenes ergibt sich wenn neben dem erfindungsgemäßen motorinternen Öl/Öl-Wärmetauscher zusätzlich ein mo­ torexterner Ölwärmetauscher zum Einsatz kommt, wobei dieser motorexterne Ölwärme­ tauscher im Wärmetausch mit dem kleinen Kühlwasserkreislauf des Motors steht, der Ölkreislauf keinen Ölthermostaten zur Veränderung der Kühlleistung aufweist, und wo­ bei dafür gesorgt wird, daβ der motorexterne Ölwärmetauscher stets von Kühlwasser durchströmt wird.

Die überschüssige Energie des Öls wird bei dieser Anwendung gegebenenfalls auf einfa­ che Weise über den entsprechend ausgelegten Öl/Kühlwasser-Wärmetauscher abgeführt. Hierbei ist der große Kühlmittelkreislauf bei kaltem Motor bzw. bei niedriger Umge­ bungstemperatur und niedriger Motorlast geschlossen. Ist die Öltemperatur zu hoch, so steigt die Temperatur im kleinen Kühlmittelkreislauf solange an, bis der Thermo­ stat für den großen Kühlmittelkreislauf öffnet. Hierdurch genügt es bei entsprechen­ der Auslegung des motorexternen Öl/Kühlwasserkühlers und des Fahrzeugkühlers im großen Kühlwasserkreislauf lediglich einen Thermostaten einzusetzten, nämlich den für das Kühlmittel. Mit anderen Worten, der serienübliche Kühlerthermostat übernimmt die Funktion der Ventileinrichtunge 14, 14a.

Zur Gewährleistung einer hinreichenden Ölkühlung muß hierbei jedoch darauf geachtet werden, daß auch bei geöffnetem Kühlwasserthermostaten eine hinreichende Kühlwas­ sermenge durch den motorexternen Ölkühler fließt.

Bezugszeichenliste

1

Ölwanne

2

Motor (Motorbock und Kopf)

3

Ölsaugrüssel (in Ölwanne)

4

Saugleitung (zur Ölförderpumpe)

4

aÖlleitung vor Öl/Öl-Wärmetauscher

4

bÖlleitung hinter Öl/Öl-Wärmetauscher

5

Ölförderpumpe

6

Ölfilter

7

Ölvorratsbehälter

8

Saugrüssel des Ölvorratsbehälters

9

Ölpumpe

10

Ölleitung (Kurzschluß)

11

Ölleitung (zum Ölkühler)

12

Ölkühler

13

Ölleitung (vom Kühler zur Ventileinrichtung

14

)

14

Ventileinrichtung (in

Fig.

1

Öl-Thermostat, kann in Verbindung mit in Wasserkühlkreislauf eingebundenen Öl/Wasserkühler aber auch der serienübliche wasserseitige Kühlerthermostat sein

14

aVentileinrichtung (Öl/Öl-Wärmetauscherthermostat)

15

Ölleitung (zum Motor gefördertes Frischöl)

16

Entlüftungsleitung

17

Ölleitung (zum Sicherheitsventil

18

)

18

Sicherheitsventil

19

Überdruckventil

20

-

21

Öl/Öl-Wärmetauscher

Claims (5)

1. Verfahren zur Kontrolle der Wärmeabgabe des Schmieröls von Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge an die Umgebungsluft mit einem Öl/Öl-Wärmetauscher (21) und einer dem Fahrtwind ausgesetzten Ölwanne (1) sowie einer temperaturabhängig schaltbaren Ventileinrichtung (14, 14a), dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten durch die Venti­ leinrichtung geschalteten Betriebsart das von den bewegten Motorbauteilen zur Ölwanne zurückströmende erwärmte Rücklauföl mittels des innerhalb der Antriebsmaschine an­ geordneten Öl/Öl-Wärmetauschers, durch den das zu den bewegten Motorbauteilen geförderte kalte Frischöl strömt, abgekühlt wird, um über die abgesenkte Temperatur in der Ölwanne die Wärmeabgabe des Rücklauföls über die Ölwanne an die Umgebung zu reduzieren, und daß das Motoröl in einer zweiten durch die Ventileinrichtung gesteuerten Betriebsart, in der Wärme an die Umgebung abgeführt werden soll, mittels erhöhten Wärmeaustausches (1, 12) gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Be­ triebsart angestrebte Erhöhung der Wämeaustausches des Öls mit der Umgebung mittels eines Bypaß' erfolgt, der den Öl/Öl-Wärmetauscher (21) umgeht, so daß das Rücklauföl mit erhöhter Temperatur zur Ölwanne strömt und durch den Fahrtwind stärker gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Betriebs­ art angestrebte Erhöhung der Wämeabgabe des Frischöls an die Umgebung bei flüssig­ keitsgekühlten Antriebsmaschinen mittels eines Öl-Wasser-Wärmetauschers erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Be­ triebsart angestrebte Erhöhung der Wämeabgabe des Öls an die Umgebung mittels eines Öl-Luft-Wärmetauschers erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl/Öl-Wärmetau­ scher (21) innerhalb der Ölwanne sitzt und sich oberhalb des Öl-Füllstands-Pegels befindet.