DE10118454A1

DE10118454A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Schmieren derselben

Info

Publication number: DE10118454A1
Application number: DE2001118454
Authority: DE
Inventors: Kai-Uwe Thiede
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schmiersystem, welches eine vorbestimmte Menge Schmiermittel (20) enthält sowie eine Schmiermittelpumpe (26, 30) zum Fördern des Schmiermittels unter Druck zu entsprechenden schmierbedürftigen Stellen in der Brennkraftmaschine (10) aufweist. Hierbei ist eine Vorrichtung (32) zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10), ein Schmiermittelvorratstank (34) für frisches Schmiermittel sowie eine Vorrichtung (36, 38, 40) zum Zuführen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratstank (34) zum Ersetzen des entnommenen verbrauchten Schmiermittels vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmieren einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schmiersystem, welches eine vorbestimmte Menge Schmiermittel enthält, welches unter Druck zu entsprechenden schmierbedürftigen Stellen in der Brennkraftmaschine gefördert wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schmiersystem, welches eine vorbestimmte Menge Schmiermittel enthält sowie eine Schmiermittelpumpe zum Fördern des Schmiermittels unter Druck zu entsprechenden schmierbedürftigen Stellen in der Brennkraftmaschine aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Ein zentrales Thema einer Brennkraftmaschine ist die Schmierung bewegter Teile, wie Kolben, Nockenwelle, Kurbelwelle, Pleuel oder ähnliches. Die heute üblichen Lösungen von Schmiersystemen in PKW-Verbrennungsmotoren sind oft über große Zeiträume entstanden. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Schmierstoffe einerseits und preiswerte Elektroölpumpen andererseits führen jedoch dazu, daß heutige Schmiersysteme unter Berücksichtigung der gegenläufig wirkenden Parameter Technik und Wirtschaftlichkeit nicht mehr die optimalsten Lösungen darstellen.

So wird ein beachtlicher Teil der Motorleistung durch den Antrieb der Ölpumpe verbraucht, welche derart ausgelegt ist, daß sie im Heißlauf einen Mindestdruck von 1 bar zur Verfügung stellt. Bei höheren Drehzahlen ergibt sich dadurch jedoch eine überschüssige Ölfördermenge, die abgeregelt werden muß. Beim Abregeln wird das überschüssige Ölvolumen entweder in den Ansaugschnorchel oder direkt in die Ölwanne zurückgeleitet. In beiden Fällen kommt es zu verstärkter Verschäumung bzw. Schaumbildung der im Öl enthaltenen Luft. Diese entstehenden Luftbläschen im Öl steigern die Gefahr von Gleitlagerspontanversagern (Lagerfressern) und führt u. a. zu Druckschwingungen im Ölsystem. Die Folgen dieser Druckschwingungen (p = -0,8. . .17 bar) sind bisher nicht bekannt. Zu befürchten sind Dauerfestigkeitsprobleme, Geräuschemissionen sowie die Übertragung der Druckschwingungen auf Ketten und Nockenwelle über hydraulische Spanner, Versteller und Ausgleichselemente.

Bei V5- und V6-Motoren traten beim Einsatz der synthetischen 0W-30.Ole Schäden an den Nockenwellenspitzen auf. Die schlechteren Verschleißschutzeigenschaften dieser vorrangig auf chemische Stabilität gerichteten Öle erhöht die Gefahr der Grübchen- und Pittingbildung.

Aus der DE-OS 30 00 129 ist ein Zylinderkopf für kompressionsgezündete Brennkraftmaschinen jener Bauart, bei welcher den Zylindern des Motors Vorbrennkammern zugeordnet sind, bekannt. Der Zylinderkopf weist ein Zwischenteil aus Aluminium auf, dessen obere Fläche derart ausgestaltet ist, daß ein Ölsumpf zur Aufnahme von Schmieröl ausgebildet wird. Dies dient einer Schmierung von Lagern für eine Nockenwelle. Die Nockenwelle ist direkt in einem Ölsumpf gelagert.

Die DE 196 30 192 A1 beschreibt einen Zylinderkopfanordnung einer Brennkraftmaschine, welche Ölrinnen zur Tauchschmierung der Nocken bzw. der Nockenwelle aufweist. Diese Ölrinnen sind als nach oben offene Wannen ausgebildet, in denen stets ein bestimmtes Ölvolumen verbleibt, das zu einer sofortigen Tauchschmierung der Nocken beim Wiederanlaufen nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine dient.

Aus der EP 0 933 506 A1 ist es bekannt, die Ölpumpe einer Brennkraftmaschine mittels eines elektrischen Motors unabhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine selbst anzutreiben. Je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine wird der elektrische Motor von einer Steuereinheit derart angesteuert, daß entsprechend dem Schmierölbedarf mehr oder weniger Öl von der Ölpumpe gefördert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schmierverfahren sowie eine Brennkraftmaschine der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welche ein verbessertes Schmiersystem aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 9 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß während des Betriebs der Brennkraftmaschine dem Schmiersystem verbrauchtes Schmiermittel aktiv entnommen und die entnommene Schmiermittelmenge durch frisches Schmiermittel aus einem Vorratstank ersetzt wird.

Dies hat den Vorteil einer Erhöhung der abgegebenen Motorleistung, einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des Motors sowie einer Erhöhung der Motorlebensdauer durch Verringerung des Verschleißes. Es ist eine sogen. Lebensdauerschmierung realisierbar, d. h. Ölwechsel können beispielsweise über eine gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges entfallen. Ferner ist durch einen hydrostatischen Anlauf die Anlaßreibung reduziert.

Zum Entsorgen des verbrauchten Schmieröls wird das entnommene, verbrauchte Schmiermittel einer Verbrennung mit Kraftstoff, insbesondere in den Zylindern der Brennkraftmaschine, zugeführt. Beispielsweise wird das verbrauchte Schmiermittel über eine Entlüftung des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine oder mittels einer Dosierpumpe entnommen.

Entweder wird das verbrauchte Schmiermittel dem Ölsumpf in einer Ölwanne der Brennkraftmaschine oder dem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine entnommen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, das einem Blow-By-Gas entnommene Öl einer dosierten Verbrennung zuzuführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Ventiltrieb, insbesondere eine Nockenwelle, Ventile und/oder eine Ventilsteuerung, der Brennkraftmaschine getrennt vom Schmierölsystem mit separatem Schmiermittel versorgt, insbesondere in einem separaten Schmiermittelbad gelagert, wobei das separate Schmiermittel vorzugsweise Getriebeöl ist.

Ferner ist bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem während des Betriebs der Brennkraftmaschine, ein Schmiermittelvorratstank für frisches Schmiermittel sowie eine Vorrichtung zum Zuführen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratstank zum Ersetzen des entnommenen verbrauchten Schmiermittels vorgesehen.

Zum Verbrennen des verbrauchten Schmiermittels in den Zylindern der Brennkraftmaschine zusammen mit Kraftstoff ist die Vorrichtung zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem mit einer Frischluftzufuhr an Zylindern der Brennkraftmaschine verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Zuführen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratstank mit einer Ölwanne der Brennkraftmaschine verbunden. Ferner ist in besonders vorteilhafter Weise die Vorrichtung zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Motor in eine Entlüftung des Zylinderkurbelgehäuses integriert. Entweder ist hierzu eine Dosierpumpe oder eine in die Kurbelgehäuseentlüftung integrierte Klappe vorgesehen, die das ölhaltige Gas wahlweise am Ölabscheider vorbei leitet.

Um ein erforderliches Schmiermittelvolumen für die Brennkraftmaschine um ca. 30% zu reduzieren ist ein separates Schmiersystem für eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen. Dieses separate Schmiermittelsystem ist beispielsweise ein abgeschlossenes Schmiermittelbad mit Tauchschmierung von Nockenwelle und Ventiltrieb, welches Getriebeöl enthält.

Zur Vermeidung der Belastung des Motors mit der Schmiermittelförderung ist die Schmierölpumpe eine Elektropumpe. Dies vermeidet insbesondere, daß die Brennkraftmaschine Arbeit zur Schmiermittelförderung von überschüssigem Schmiermittel leistet.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in der einzigen Figur beispielhaft schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 10 umfaßt ein Zylinderkurbelgehäuse 12, in dem jeweilige Kolben 14 in jeweiligen Zylindern 16 eine Hubbewegung ausführen, eine Ölwanne 18, in der sich ein Ölsumpf 20 befindet, und einen Zylinderkopf 22, in dem eine Nockenwelle 24 angeordnet ist. Zur ausreichenden Versorgung mit Schmiermittel aus dem Ölsumpf 20 an allen erforderlichen Stellen im Zylinderkurbelgehäuse 12 ist eine Ölpumpe 26 vorgesehen, welche dem Ölsumpf 20 Schmieröl entnimmt und unter entsprechendem Druck bei 28 dem Zylinderkurbelgehäuse zuführt. Die Ölpumpe 26 wird von einem Elektromotor 30 angetrieben.

Erfindungsgemäß ist eine Entlüftung 32 für das Zylinderkurbelgehäuse 12 derart ausgebildet, daß über diese verbrauchtes Öl dem Zylinderkurbelgehäuse entnommen und einem Ansaugkanal für die Zylinder 16 zum Verbrennen des entnommenen, verbrauchten Schmieröls in den Zylindern 16, zugeführt wird. Alternativ erfolgt die Entnahme von verbrauchtem Schmiermittel bzw. Öl aus dem Zylinderkurbelgehäuse mittels einer separaten Dosierpumpe. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist jedoch, daß die Entnahme von verbrauchtem Schmiermittel bzw. Öl während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine im wesentlichen kontinuierlich erfolgt.

Um die Menge an entnommenem, verbrauchtem Schmiermittel bzw. Öl zu ersetzen, ist zusätzlich ein Schmiermittelvorratsbehälter 34 vorgesehen. Dieser ist über ein Ventil 36 und eine Leitung 38 mit der Ölwanne 18 verbunden. Das Ventil 36 wird mittels eines Schwimmers 40 betätigt, welcher den Ölstand in der Ölwanne 18 bei stehendem Motor in einer definierten Position des Fahrzeugs abtastet und bei entsprechend absinkendem Ölstand in der Ölwanne 18 das Ventil 36 zum Nachfüllen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratsbehälter 34 öffnet. Sobald wieder ausreichend Schmiermittel in der Ölwanne 18 vorhanden ist, schließt der Schwimmer 40 das Ventil 36 wieder ab.

Auf diese Weise wird das in der Brennkraftmaschine befindliche Schmieröl ständig erneuert, so daß es nicht zu einer Ansammlung bzw. Konzentration von Stoffen oder Partikeln im Schmieröl kommen kann, die dessen Schmierfähigkeit beeinträchtigen. Der Schmiermittelvorratsbehälter 34 enthält dabei vorzugsweise eine derart ausreichende Menge an Frischöl von beispielsweise 101 bis 201, daß diese für eine übliche Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges ausreicht. Auf diese Weise sind Ölwechsel oder ähnliche Wartungsarbeiten im Bereich des Schmiermittelsystems über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeuges entbehrlich (Lebensdauerschmierung).

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein separates Schmiermittelsystem im Zylinderkopf 22 für die Nockenwelle 24 vorgesehen, welches zur Schmierung des Zylinderkopfes 22 bzw. der sich darin befindenden Nockenwelle 24 Getriebeöl enthält, welches gleichzeitig eine Erhöhung der lokalen Flächenpressung und damit eine Bauteilverkleinerung erlaubt. Dadurch, daß das zusätzliche Schmiermittelsystem im Zylinderkopf 22 abgeschlossen ist und Getriebeöl enthält, ist auch hier kein Ölwechsel o. ä. erforderlich, so daß auch für den Zylinderkopf eine sog. "Lebensdauerschmierung" erzielt ist. Die Motorelemente im Zylinderkopf werden hierbei über eine Tauchschmierung mit Öl versorgt.

Das Motoröl 20 ist im Gegensatz zum Getriebeöl 42 im Zylinderkopf 22 permanent reaktiven und heißen Abgasen eines sog. "blow by" ausgesetzt. Die Alterung des Schmieröles 20 (Partikelkonzentration, Viskositätsverlust bzw. -anstieg, Verlust von Freß-, Grübchen- und Pittingtragfähigkeit) ist nicht zu vermeiden. Daher erfolgt erfindungsgemäß die zuvor beschriebene permanente Erneuerung des Motoröls 20. Durch den Einsatz metallfrei additiver Motoröle ist es darüber hinaus möglich, das verbrauchte und entnommene Öl zu verbrennen. Durch die Trennung der Schmierung von Zylinderkopf 22 und Zylinderkurbelgehäuse 12 sinkt der Ölbedarf des Motors um ca. 30%. Hierdurch ist es möglich, die bisher zum Einsatz kommenden mechanischen Ölpumpen durch die dargestellte elektrisch angetriebene Ölpumpe 26, 30 zu ersetzen. Neben den neuen konstruktiven Möglichkeiten bei der Gestaltung des Gehäuses gestattet dies einen sog. hydrostatischen Anlauf des Motors, d. h. die Ölpumpe 26 wird bereits vor dem Anlassen des Motors betätigt, um somit bereits im Moment des Anlassens eine ausreichende Schmierung aller Komponenten zu gewährleisten. Da gerade im Moment des Anlassens des Motors schwere Misch- und Grenzreibung auftritt, ist mit der hydrostatischen Startschmierung eine deutliche Reibungs- und Verschleißverringerung zu erwarten.

Statt der dosierten Verbrennung von verschmutztem metallfreiem Altöl, wahlweise in den Brennräumen der Zylinder 16 oder in einer separaten Brennkammer, ist es auch möglich, das abgezogene, verschmutzte Altöl in einem weiteren separaten Behälter zu sammeln und am Ende der Lebensdauer des Kraftfahrzeuges entsprechend zu entsorgen oder wieder aufzubereiten.

Alternativ oder zusätzlich ist folgende weitere Vorrichtung zur aktiven Entnahme von Schmiermittel vorgesehen: Das bei 32 austretende Blow-By-Gas 44 wird über eine Überbrückungsvorrichtung 46 geführt. Diese enthält eine Klappe 48, die das ölbeladene Blow-By-Gas 44 wahlweise über einen Ölabscheider 50 oder diesen überbrückend direkt in einen Ansaugkanal 52 am Zylinderkopf 22 führt, wie mit gestrichelter Linie 54 angedeutet. Der Ölabscheider 50 trennt das im Gas 44 enthaltene Öl wenigstens teilweise ab und führt es über 56 wieder der Ölwanne 18 zu. Soll jedoch Öl aktiv entnommen werden, so leitet die Klappe 48 das Gas 44 am Ölabscheider 50 vorbei, so daß das Öl im Blow-By-Gas 44 einer Verbrennung zugeführt und somit entnommen wird wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Brennkraftmaschine

12

Zylinderkurbelgehäuse

14

Kolben

16

Zylinder

18

Ölwanne

20

Ölsumpf

22

Zylinderkopf

24

Nockenwelle

26

Ölpumpe

28

Ölzuführung ZKG

30

Elektromotor

32

Entlüftung

34

Schmiermittelvorratsbehälter

36

Ventil

38

Leitung zur Ölwanne

40

Schwimmer

42

Getriebeöl

44

Blow-By-Gas

46

Überbrückungsvorrichtung

48

Klappe

50

Ölabscheider

52

Ansaugkanal

54

gestrichelte Linie

56

Ölrückführung

Claims

1. Verfahren zum Schmieren einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schmiersystem, welches eine vorbestimmte Menge Schmiermittel enthält, welches unter Druck zu entsprechenden schmierbedürftigen Stellen in der Brennkraftmaschine gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Brennkraftmaschine dem Schmiersystem verbrauchtes Schmiermittel aktiv entnommen und die entnommene Schmiermittelmenge durch frisches Schmiermittel aus einem Vorratstank ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entnommene, verbrauchte Schmiermittel einer Verbrennung mit Kraftstoff, insbesondere in den Zylindern der Brennkraftmaschine, zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel über eine Entlüftung des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel mittels einer Dosierpumpe durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verbrauchte Schmiermittel dem Ölsumpf in einer Ölwanne der Brennkraftmaschine oder einem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine entnommen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventiltrieb, insbesondere eine Nockenwelle, Ventile und/oder eine Ventilsteuerung, der Brennkraftmaschine getrennt vom Schmierölsystem mit separatem Schmiermittel versorgt, insbesondere in einem separaten Schmiermittelbad gelagert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das separate Schmiermittel Getriebeöl oder Motoröl ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel Öl, insbesondere 2-Taktöl, ist.

9. Brennkraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schmiersystem, welches eine vorbestimmte Menge Schmiermittel (20) enthält sowie eine Schmiermittelpumpe (26, 30) zum Fördern des Schmiermittels unter Druck zu entsprechenden schmierbedürftigen Stellen in der Brennkraftmaschine (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (32) zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10), ein Schmiermittelvorratstank (34) für frisches Schmiermittel sowie eine Vorrichtung (36, 38, 40) zum Zuführen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratstank (34) zum Ersetzen des entnommenen verbrauchten Schmiermittels vorgesehen ist.

10. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem mit einer Frischluftzufuhr an Zylindern (16) der Brennkraftmaschine (10) verbunden ist.

11. Brennkraftmaschine (10)nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (36, 38, 40) zum Zuführen von frischem Schmiermittel aus dem Schmiermittelvorratstank (34) mit einer Ölwanne (18) der Brennkraftmaschine (10) verbunden ist.

12. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum aktiven Entnehmen von verbrauchtem Schmiermittel aus dem Schmiersystem in eine Entlüftung (32) des Zylinderkurbelgehäuses (12) der Brennkraftmaschine (10) integriert ist oder eine Dosierpumpe aufweist.

13. Brennkraftmaschine (10) vorzugsweise nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein separates Schmiersystem für einen Zylinderkopf (22) der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und daß ein weiteres separates Schmiersystem für ein Zylinderkurbelgehäuse (12) der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

14. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das separate Schmiermittelsystem für den Zylinderkopf (22) ein abgeschlossenes Schmiermittelbad mit Tauchschmierung von einer Nockenwelle (24) bzw. für die im Zylinderkopf (22) angeordneten Bauteile ist.

15. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das separate Schmiermittelsystem für die Nockenwelle (24) bzw. den Zylinderkopf (22) Getriebeöl (42) als Schmiermittel enthält.

16. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölpumpe eine Elektropumpe (26, 30) ist.

17. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel Öl, insbesondere 2-Taktöl, ist.