DE10140944A1 - System zur Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors - Google Patents

Abstract

Bei bekannten Kraftfahrzeugmotoren wird der Schmierölhaushalt von einer vom Verbrennungsmotor angetriebenen Ölförderpumpe gewährleistet. Da der Schmierölförderdruck von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig ist, wirkt sich die Schmierung in der Start- und Auslaufphase des Motors ungünstig auf das Schmierverhalten aus und es treten Verschleißerscheinungen auf. DOLLAR A Eine elektrisch betriebene und geregelte Ölförderpumpe schafft Abhilfe. Der erforderliche Schmieröldruck wird vor dem Starten des Motors erzeugt und beim Auslaufen des Triebwerks entsprechend erhöht, um den Verschleiß im Motor zu reduzieren. Des weiteren wird durch ein Steuergerät in Verbindung mit Sensoren der Abgasturbolader vor Verschleiß geschützt sowie der Gesamtwirkungsgrad und damit die Abgabeleistung des Motors erhöht. DOLLAR A Einbau des Systems in sämtlichen Kraftfahrzeugen möglich und besonders für Kraftfahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb geeignet, um die Laufleistung des Motors zu erhöhen.

Description

1 Angabe des technischen Gebiets

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Thema aus der Kraftfahrzeugtechnik. Innerhalb der Kraftfahrzeugtechnik speziell um die Schmierung von Verbrennungsmotoren die mit einer Druckumlaufschmierung geschmiert werden.

2 Bekannter Stand der Technik

Auf den mir bekannten Stand der Motorschmiertechnik gehe ich nachfolgend ein. Es muss hier allerdings bezüglich des Arbeitsverfahrens und den Anforderungen an das jeweilige Fahrzeug differenziert werden, weshalb ich den jeweiligen Stand der Technik unterteile in das 4-Takt- und das 2- Taktverfahren. Die Beantragung des Patents bezieht sich allerdings nicht auf 2-Taktmotoren bei denen das Kurbelgehäuse zur Vorverdichtung des Kraftstoffluftgemisches verwendet wird.

2.1 Vier-Taktverfahren 2.1.1 Druckumlaufschmierung

Die Druckumlaufschmierung ist die weitverbreitetste Schmierart und findet bei fast allen Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, die sich überwiegend auf der Straße bewegen, Anwendung.

Hier wird das Motoröl von einer Ölförderpumpe, die vom Motor angetrieben wird, aus einer Ölwanne unterhalb des Motors abgesaugt, über einen Haupt- und Nebenstromölfilter gereinigt und unter Druck zu den einzelnen Schmierstellen gefördert. Von den Schmierstellen tropft das Öl wieder zurück zur Ölwanne und der Kreislauf beginnt von vorne. Steigt die Motordrehzahl und damit die Drehzahl der Ölförderpumpe über ein bestimmtes Maß an, wird der zuviel erzeugte Druck über ein Druckbegrenzungsventil begrenzt und in die Ölwanne zurückgeleitet.

2.1.2 Trockensumpfschmierung

Die Trockensumpfschmierung findet Anwendung bei Fahrzeugen, bei denen das Motorenöl in der Ölwanne durch hohe Seitenbeschleunigungen, wie bei Fahrzeugen im Rennsport, oder durch zu hohe Neigungen, wie bei geländegängigen Fahrzeugen, herausfliest. Bei einer herkömmlichen Druckumlaufschmierung kann das Schmieröl nicht mehr angesaugt werden und die zuverlässige Schmierung der Schmierstellen versagt.

Die Trockensumpfschmierung ist vom Prinzip gleich aufgebaut wie die Druckumlaufschmierung, mit Ausnahme der Ölwanne. Statt der Ölwanne verfügen diese Schmiersysteme über einen Ölvorratsbehälter von dem das Öl über eine Ölpumpe zu den Schmierstellen gefördert und durch eine Absaugpumpe direkt von den Schmierstellen dem Ölvorratsbehälter wieder zugeführt wird. Allerdings wird auch hier die Ölpumpe mechanisch angetrieben.

2.2 Zwei-Taktverfahren 2.2.1 Mischungsschmierung

Da beim 2-Taktmotor, bis auf wenige Ausnahmen, das Kurbelgehäuse zur Vorverdichtung des Kraftstoffluftgemisches verwendet wird, kann hier keine Ölwanne angebracht werden die das Schmieröl bevorratet.

Bei Zweitaktmotoren mit Mischungsschmierung wird deshalb das Schmieröl dem Kraftstoff direkt, in einem bestimmten Mischungsverhältnis, zugesetzt. D. h. bei jedem Betankungsvorgang wird Schmieröl, meist im Verhältnis 1 : 25 bis 1 : 50 Schmieröl zu Kraftstoff, mitgetankt. Durch die Vernebelung des Kraftstoff-Luft-Ölgemisches im Kurbelgehäuse gelangt das Schmieröl so zu den Schmierstellen. Allerdings muss beim 2-Taktverfahren, bei dem die Vorverdichtung im Kurbelgehäuse ausgeführt wird, auf Gleitlager verzichtet werden. Dieser verfügt in der Regel über Wälzlager, die mit sehr wenig Schmieröl auskommen.

2.2.2 Frischölschmierung

Durch Frischölschmierung wird der selbe Effekt wie bei der Mischungsschmierung erreicht. Der Unterschied hierbei ist, dass Kraftstoff und Schmieröl getrennt getankt werden. Die Mischung der beiden Komponenten findet erst im Vergaser oder Ansaugkanal statt, wobei das Mischungsverhältnis durch unterschiedliche Motordrehzahlen variieren kann.

3 Darstellung der Mängel der bisher bekannten Ausführungen 3.1 Die Probleme mit der Reibung

Reibungsprobleme sind in der Lager- und Antriebstechnik von großer Bedeutung, denn die Reibung in den Gleitlagern ist verantwortlich für den Verschleiß und die Leistungsverluste des Motors und beeinflussen somit direkt den Wirkungsgrad des Triebwerks. In einem Kraftfahrzeugmotor treten Reibungsprobleme hauptsächlich im Bereich Kolben/Zylinder, in der Kurbelwellenlagerung, Pleuellagerung, Nockenwellenlagerung sowie im Kolbenbolzenbereich auf. Um einen reibungslosen bzw. verschleißarmen Lauf zu garantieren müssen die beiden Reibpartner durch einen tragenden Schmierölfilm vollkommen voneinander getrennt werden.

3.1.1 Probleme während der Startphase des Verbrennungsmotors

Beim Starten des Triebwerks entstehen in den verschiedenen Schmierstellen des Motors Kräfte. Durch die gegensätzliche Bewegungsrichtung der Lagerschale zum Lager entsteht eine Reibungskraft F_R, die mit zunehmender Normalkraft F_N proportional zunimmt. Beim Ottomotor ist die Normalkraft vom Verbrennungsdruck und der Kolbenfläche abhängig, welche über den Kolbenbolzen und die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird.

Um nun den Verschleiß zwischen Lagerschale und Lager zu minimieren wird Schmieröl zwischen die beiden Komponenten gebracht.

Wie beim Aquaplaning schwimmt das Lager auf dem Schmierölfilm, der sich in der Lagerschale befindet, auf und verhindert dadurch eine direkte Berührung der Lagerschale und Lager. Es bildet sich ein sogenannter tragender Schmierkeil, welcher aber einen gewissen Schmieröldruck und eine Bewegung der beiden Komponenten voraussetzt.

Moderne Verbrennungsmotoren werden daher über eine Druckumlaufschmierung mit Schmieröl versorgt. Eine mechanisch angetriebene Ölpumpe stellt den Öldruck, welcher für die Schmierung von Gleitlagern unerlässlich ist, sicher. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors ist die Schmierung der Gleitlager ausreichend gewährleistet, da die vom Motor angetriebene Ölpumpe die Lager mit Schmieröl versorgt.

In der Startphase allerdings, ist noch kein Öldruck im Schmiersystem vorhanden, da sich der Motor erst drehen muss um die Ölpumpe anzutreiben. Auch wenn sich die Ölpumpe dreht dauert es doch einen gewissen Zeitraum bis sich der Öldruck im gesamten System aufgebaut hat.

Während dem Startvorgang kommt es dadurch zur Festkörper- bzw. Mischreibung in den Hauptlagern der Kurbelwelle, in den Nockenwellenlagern und in den Pleuellagern, da der Öldruck und dadurch der Ölfilm zwischen der Lagerschale und dem entsprechenden Zapfen noch nicht vorhanden ist.

Nicht selten kommt es dann zum Ausschlagen der betreffenden Lager was sich letztendlich in defekten Achswellendichtringen, eingelaufenen Nockenwellen, Leistungsverlusten, erhöhtem Schmierölverbrauch sowie einer Reduzierung der Gesamtlaufleistung des Triebwerks bemerkbar macht.

3.1.2 Probleme während der Auslaufphase

Bei der Druckumlaufschmierung wird nicht nur ein gewisser Schmieröldruck vorausgesetzt, sondern auch eine erforderliche relative Mindestgeschwindigkeit zwischen Lager und Welle. Da nun beim Auslaufen der Maschine genauso wie beim Anfahren zum einen die Relativgeschwindigkeit der Komponenten und zum anderen der Öldruck der Schmiermittelpumpe abnimmt kommt es auch hier zu einer Berührung der Reibpartner und damit zum Metallabrieb zwischen Welle und Lagerschale bzw. Kolben und Zylinder.

3.1.3 Probleme bei Fahrzeugen mit Abgasturboladern

Motoren, die mit einem Abgasturbolader aufgeladen werden unterliegen hohen thermischen Belastungen, Abgasturbolader erreichen Spitzendrehzahlen von über 100.000 min^-1. Geschmiert wird die Welle, welche Pumpen- und Turbinenrad miteinander verbindet über die motoreigene Druckumlaufschmierung.

Da Ottomotoren Höchstdrehzahlen von 6000-7000 min^-1 erreichen, Dieselmotoren im Nutzfahrzeugbereich oft nur 2500-3000 min^-1, kommt es beim falschen Abstellen des Motors zu Lagerschäden im Abgasturbolader. D. h. der Bediener beschleunigt den Motor kurz vor dem Abstellen und stellt ihn dann ab. Das Turbinenrad des Laders wird dadurch erheblich höher beschleunigt als der Motor und speichert den Abgasstrom in kinetischer Energie. Der Abbau dieser kinetischer Energie bis zum Stillstand dauert jedoch länger als der Motor läuft und damit der Schmieröldruck gewährleistet ist, so dass die Welle des Abgasturboladers dabei Schaden nimmt.

3.1.4 Zeitliche Betrachtung eines Motorkaltstarts

Wird der zeitliche Ablauf eines Motorkaltstarts etwas eingehender betrachtet, so lässt sich folgendes feststellen:
Der Bediener dreht den Zündschlüssel, das Anlasserritzel greift in den Zahnkranz der Schwungscheibe, der Motor beginnt sich zu drehen und beschleunigt auf die Anlasserdrehzahl die bei ca. 200 min^-1 liegt. Es entsteht zunächst ein Bereich zwischen Festkörper- und Mischreibung in den unterschiedlichen Baugruppen. In gleichem Verhältnis wie die Anlasserdrehzahl dreht sich die Schmierölpumpe. In dieser entsteht allmählich mit zunehmender Drehzahl ein Saugdruck, der zu einem späteren Zeitpunkt so groß sein wird, dass das in der Ölwanne befindliche kalte Schmieröl angesaugt wird. D. h. das Öl befindet sich keinesfalls in der gesamten Ansaugleitung, geschweige denn in den Schmierstellen, sondern wird lediglich in Bewegung gesetzt. Während diesem Beginn der Schmierölförderung hat der Motor schon einige Umdrehungen hinter sich und zwar ohne Schmierung. Nun wird die Ansaugleitung zwischen Ölförderpumpe und Ölwanne mit Öl gefüllt, der Ölspiegel in der Ölansaugleitung steigt an bis zur Ölförderpumpe. Wiederum befindet sich in dieser Zeitspanne kein Schmieröl in den Schmierstellen und der Motor dreht weiter.

Inzwischen startet das Triebwerk und beschleunigt auf Leerlaufdrehzahl von ca. 700 bis 900 min^-1. Die Ölförderung wird nun zwar sprunghaft vorangetrieben, aber in gleichem Maße auch der Verschleiß in den Lagerstellen.

Jetzt wird die Ölleitung zwischen Ölpumpe und Ölfilter befüllt und währenddessen bewegen sich die Reibpartner immer noch ohne Schmierung. Glücklicherweise befindet sich im Ölfilter schon Schmieröl, so dass dieser nicht erst noch auch befüllt werden muss und die Schmierstellen nicht noch länger auf das erforderliche Öl warten müssen. Bei einem Ölfilterwechsel allerdings muss auch dieser von der Ölpumpe zunächst befüllt werden bevor das Öl weitergeleitet werden kann. Da der Ölfilter ein inneres Raumvolumen von ca. einem halben Liter aufweist, ist die Füllzeit und die damit verbundene Trockenlaufzeit des Motors nicht ganz unkritisch zu sehen.

Vom Ölfilter wird nun das Schmieröl zu den einzelnen Schmierstellen gefördert und die eigentliche Schmierung beginnt einzusetzen. Auch hier vergeht kostbare Zeit während der Motor "trocken" läuft. Schmierstellen in der Nähe der Ölförderpumpe werden zuerst geschmiert, Schmierstellen wie z. B. die Nockenwelle, die sich relativ weit weg von der Ölpumpe befindet, werden zuletzt geschmiert. Ebenso im Kolbenbolzenbereich ergeben sich Probleme, da das Öl einen "beschwerlichen" Weg über dünne Kanäle in der Kurbelwelle zu Kanälen in der Pleuelstange bis zum Kolbenbolzen Bereich zurücklegen muss. Der Vorgang ist umso schwieriger je kälter und zähflüssiger das Öl ist. Allgemein wirkt sich die Zähigkeit des Öls auf den zeitlichen Verlauf der Durchschmierung des Triebwerks negativ aus, so dass sich in dieser zusätzlichen entstehenden Zeitspanne Verschleißerscheinungen in den Schmierstellen zeigen.

Das Erlöschen der Öldruckkontrollleuchte ist hierbei keineswegs ein Indiz für die gesamte Durchschmierung des Motors. In den meisten Fällen befindet sich der Sensor der Kontrollleuchte direkt hinter dem Ölfilter und nicht im letzten Glied der Schmierölkette so dass die Öldruckkontrollleuchte lediglich den Druckaufbau im Ölfilter anzeigt.

Es wird nun deutlich wie "lange" doch die Zeitspanne beträgt bis auch wirklich jede Komponente im Motor mit Schmieröl versorgt wird. Sicherlich liegt diese im Sekundenbereich, dennoch multiplizieren sich diese Sekunden mit der Anzahl der Motorstarts im Laufe der Nutzungsdauer. D. h. je mehr Motorstarts innerhalb der Nutzungsdauer, desto größer der Motorverschleiß. Kurzstreckenfahrer legen im Laufe der Zeit zwar eine geringere Strecke zurück als Langstreckenfahrer, aber die Anzahl der Motorstarts und der damit verbundene Verschleiß ist hierbei relativ zur Fahrstrecke bedeutend höher.

4 Hauptproblem der bisherigen Schmierung

Das Hauptproblem der bisherigen Ausführungen besteht darin, dass der Motor sich schon bewegt, bevor der erforderliche Schmieröldruck erreicht wird. Ebenso dreht sich der Motor noch beim Auslaufen, wenn sich der erforderliche Schmieröldruck abgebaut hat. Weiterhin kann sich der Abgasturbolader nach Abstellen des Motors noch bewegen, obwohl der Motor und die Ölförderpumpe zum Stillstand gekommen sind und somit die erforderliche Schmierung versagt.

Darüber hinaus wird der zuviel geförderte Schmieröldruck bei höheren Motordrehzahlen zur Ölwanne zurück geleitet. Hierbei entstehen Verluste in Form von Ölwärme die dem Triebwerk entnommen werden und dadurch den Gesamtwirkungsgrad des Motors negativ beeinflussen.

Der Bedarf an Öldruck ist in der Start- bzw. Auslaufphase des Motors höher als im Betrieb, da in der Start- bzw. Auslaufphase die Geschwindigkeit der Reibpartner zueinander durch die niedrige Drehzahl des Motors sehr niedrig ist. Das Angebot an Öldruck seitens der mechanischen Ölförderpumpe jedoch ist in der Start- bzw. Auslaufphase niedrig und im Betrieb sogar so hoch, dass der überschüssige Öldruck abgebaut werden muss und hierdurch Verluste entstehen. Dies liegt daran, dass die Drehzahl und damit der Öldruck der Ölförderpumpe in proportionalem Zusammenhang zur Motordrehzahl stehen, da der Motor die Ölförderpumpe direkt antreibt.

5 Mittel zur Lösung des Problems

Grundsätzlich sollte der Ölförderdruck der Ölpumpe gesteuert werden können. Denn nur dann, wenn auch Bedarf an Ölförderdruck besteht, soll auch Öldruck geliefert werden. Deshalb wird bei meiner Erfindung die mechanische Ölförderpumpe ausgebaut und durch eine elektrisch angetriebene Ölförderpumpe ersetzt. Bei einer elektrisch angetriebenen Ölförderpumpe kann der Öldruck durch Verändern der elektrischen Spannung geregelt werden. D. h. der Schmieröldruck ist jetzt steuerbar. Besteht seitens des Motors Bedarf an Öldruck wird dieser Bedarf durch die Ansteuerung der elektrischen Ölförderpumpe über das gesamte Drehzahlspektrum des Kraftfahrzeugmotors gedeckt. Ein im Steuergerät des Fahrzeugs abgelegtes Kennfeld, steuert den Druck der elektrischen Ölförderpumpe in Abhängigkeit der Motordrehzahl, der Temperatur und damit der Viskosität des Schmieröls, sowie dem jeweiligen Lastzustand des Verbrennungsmotors. Weiterhin wird der Abgasturbolader mit einem Drehzahlsensor versehen, so dass erkannt wird ob sich dieser noch dreht, wenn der Motor schon steht. Es ist nun möglich unabhängig von der Motordrehzahl einen Öldruck zu erzeugen und zwar immer dann, wenn auch Bedarf seitens des Motors besteht.

Vor dem eigentlichen Startvorgang wird nun die elektrische Ölförderpumpe gestartet und der Motor bis ins letzte Glied der Schmierölkette durchgeschmiert. Erst dann wird der Motor gestartet, wobei sich dieser unmittelbar danach im Bereich der Flüssigkeitsreibung befindet und keinen Verschleiß verursacht.

Der Fahrer hat nun die Auswahl zwischen einem Schon- und einem Schnellstart. Ein Öldrucksensor misst den Öldruck. Ist dieser Druck erreicht, erlischt eine Signalleuchte im Sichtbereichs des Fahrers und dieser kann den Startvorgang beginnen. Falls der Fahrer nun schnell den Motor starten muss, kann dieser Schonstart umgangen werden in dem er den Motor direkt startet, ohne auf die Freigabe des Öldrucksensors zu warten.

6 Ausführungsbeispiel

Bei dem angeführten Beispiel handelte es sich um eine Konstruktion die ich im Rahmen meiner Diplomarbeit zum Maschinenbauingenieur an der Fachhochschule Ravensburg Weingarten realisierte.

6.1 Beispielbeschreibung 6.1.1 Der Versuchsmotor im KFZ Labor

Als Versuchsmotor dient ein 4-Zylinder Vier-Taktmotor Ottomotor der Firma Daimler Benz, der als Stationärmotor im KFZ-Labor der Fachhochschule Ravensburg/Weingarten untergebracht ist.

Sämtliche Zusatzaggregate wie Generator, Wasserpumpe, Ölpumpe, Servolenkpumpe, Auspuffanlage, Lüfter, Anlasser, Kühlwasserkreislauf und Luftfilter sind wie beim baugleichen Motor in eingebautem KFZ vorhanden, so dass auch die hier die gleiche Leistung wie beim eingebauten Motor entnommen wird.

6.1.2 Technische Daten des Versuchsmotors

Hersteller: Mercedes Benz AG
Motortyp: M111 E23
Bauart: Reihenmotor
Arbeitsverfahren: Otto 4-Takt
Zahl der Zylinder: 4
Zahl der Ventile: 16
Gesamthubvolumen: 2295 cm³

Hub: 88,4 mm
Bohrung: 90,9 mm
Hub/Bohrung: 0,972
Zylinderabstand: 97 mm
Kurbelgehäusehöhe: 224,4 mm
Pleuellänge: 149 mm
Hauptlager: 58 mm
Pleuellager: 48 mm
E-Ventil: 35 mm
A-Ventil: 31 mm
Verdichtung: 10,4
max. Nennleistung: 110 KW
bei Drehzahl: 5400 min^-1

max. Drehmoment: 220 Nm
bei Drehzahl: 3700-4500 min^-1

max. zulässige Drehzahl: 6200 min^-1

Zündfolge: 1-3-4-2
Kraftstoff: unverbleiter Ottokraftstoff Super nach DIN EN 228
Gemischaufbereitung: HFM-Motorsteuerung

6.1.3 Schmierölförderung des Versuchsmotors (Druckseite)

Die Druckleitung der elektrischen Schmierölpumpe wird an der selben Stelle angeschlossen wie die Druckleitung der mechanischen Pumpe.

6.1.4 Schmierölförderung des Versuchsmotors (Saugseite)

Die Saugleitung für die elektrische Schmierölpumpe wird an die Ölablassschraube angebracht. Dies bietet sich aus zwei Gesichtspunkten an. Zum einen muss keine zusätzliche Bohrung eingearbeitet werden und zum anderen handelt es sich bei der Ölablassschraube um die tiefste Stelle der Ölwanne, so dass hier ausreichend Schmieröl für die Förderung vorhanden ist.

6.2 Konstruktion

In der nachfolgenden Konstruktion wird die mechanische Ölförderpumpe durch eine elektrische Ölförderpumpe ersetzt.

6.2.1 Beschreibung der Funktionsweise

Bei der Konstruktion wird die mechanische Ölpumpe ausgebaut und durch eine Konstruktion ersetzt die es erlaubt eine externe elektrisch angetriebene Schmierölpumpe anzuschließen (vgl. Abb. 1).

Eine Anschlussplatte (1), die dem geometrischen Lochbild der mechanischen Ölpumpe entspricht, wird an der Ölpumpenaufnahmefläche mit 3 Innensechskantschrauben M8 × 40 angeflanscht. Der Anschlussflansch (8) wird an der Ölwanne mit zwei Schrauben M6 × 20 befestigt.

Da die Bauteile (1), (9), (4) und (6) im Motorinneren befestigt sind und sich der Anschlussflansch (8) außerhalb der Ölwanne befindet, muss sich dieser axial gegenüber dem Distanzstück (6) verschieben lassen. Abgedichtet wird das Distanzstück gegenüber dem Anschlussflansch mit einem Druckring (5), der sich in einer Ringnut des Anschlussflansches befindet. Nach Einbau der Ölwanne wird der Anschlussflansch über das Distanzstück gesteckt und mit zwei Schrauben M6 × 20 an der Ölwanne verschraubt. Der Anschlussflansch (8) wird gegenüber der Ölwanne mittels eines O-Rings (7) abgeschlossen.

An den Anschlussflansch (8) ist nun eine gerade Einschraubverschraubung M14 × 1,5 angebracht, die mit einer Kupferdichtung (2) abgedichtet wird. Hier wird die elektrische Schmierölpumpe angeschlossen. Die Saugseite der Pumpe wird an eine gerade Einschraubverschraubung M14 × 1,5, die an der Ölablassschraube angebracht wird, angeschraubt.

Die Abb. 2 und 3 zeigen die in die Ölwanne eingebaute Konstruktion. Der Ölkreislauf wird durch die gestrichelte Linie verdeutlicht. An der Stelle 1 wird das Öl abgesaugt und an der Stelle 2 dem Schmierkreislauf wieder zugeführt. Die Saugseite der Elektropumpe wird mittels einer flexiblen Druckleitung an die Ölablassschraube der Ölwanne angeschlossen; die Druckseite der Pumpe direkt an das Bauteil 8. Der Ölstrom mündet dann direkt in den motorinternen Schmierkreis.

7 Zusammenfassung 7.1 Vorteile der Erfindung

• a) Schonender Motorstart, da der Motor vor dem Start durchgeschmiert wird
• b) Schonender Motorauslauf, da die elektrisch angetriebene Ölförderpumpe den Öldruck unabhängig von der Motordrehzahl aufrecht erhält.
• c) Schutz des Abgasturboladers
• d) Wirkungsgradverbesserung des Gesamttriebwerks, da die elektrische Ölpumpe nur den Öldruck liefert der auch benötigt wird. Hierbei wird kein Öldruck in Ölwärme umgesetzt.
• e) Aus (d) ergeben sich beiläufig noch Kraftstoffeinsparungen und eine Reduzierung der Umweltbelastung.
• f) Steigerung der Laufleistung besonders bei Kurzstreckenfahrten mit vielen Motorkaltstarts.

7.1.1 Gemessene Werte 7.1.1.1 Entwicklung der Öltemperatur

Bei der Entwicklung der Öltemperatur ist festzustellen, dass die Motoröltemperatur bei elektrischem Pumpenantrieb, im Durchschnitt 9°C unterhalb der Motoröltemperatur des mechanischen Antriebs liegt.

Die zusätzliche Erwärmung der 5,5 ltr. Motorenöl um 9°C kostet Energie, die der Motor als Verlustenergie verbucht. (vgl. Abb. 4)

7.1.1.2 Vergleich des Kraftstoffverbrauchs

Bei der Gegenüberstellung des Kraftstoffverbrauchs ergibt sich eine Reduzierung von 0,22 Liter pro Stunde zu Gunsten der elektrischen Ölpumpe. (vgl. Abb. 5 und 6).

7.1.1.3 Vergleich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs

Bei der Gegenüberstellung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs ergibt sich eine Reduzierung von 20,9 g/KWh, bei einer Belastung von 50 Nm, zu Gunsten des elektrischen Schmiersystems (vgl. Abb. 7). Ebenso eine Reduzierung von 10,0 g/KWh, bei einer Belastung von 100 Nm, zu Gunsten des elektrischen Schmiersystems (vgl. Abb. 8).

7.1.1.4 Vergleich der Motorleistung

Die für eine bestimmte Belastung erforderliche Motorleistung liegt beim elektrisch betriebenen Schmiersystem um 0,38 KW niedriger, als beim mechanisch angetriebenen Schmiersystem (vgl. Abb. 9).

7.1.1.5 Angebot und Bedarf

Das Schmierölangebot der elektrischen Pumpe kann dem Schmierölbedarf der Schmierstellen stufenlos angepasst werden. Das Schmierölangebot der mechanischen Pumpe ist hingegen von der Motordrehzahl linear abhängig (vgl. Abb. 10). Hierdurch ergibt sich in der Start- und Auslaufphase übermäßiger Verschleiß und im Betrieb übermäßige Verluste. Ab dem Erreichen der Übergangsdrehzahl n_ü (Die Drehzahl bei der die Mischreibung in Flüssigkeitsreibung übergeht) kann kein Verschleiß mehr stattfinden. Dazu muss jedoch schon Öldruck an den Schmierstelen anliegen. Konkret bedeutet dies, dass beim elektrischen Schmiersystem der Verschleiß ab Erreichen der Übergangsdrehzahl n_ü unterbunden wird. Beim mechanischen Schmiersystem hingegen, wird der Verschleiß erst bei der Überschneidung von Angebot und Bedarf unterbunden. Das Druckangebot in Abb. 10 beschreibt das Angebot der mechanischen Pumpe. Durch den Einbau des elektrisch betriebenen Schmiersystems kann das Angebot exakt dem Bedarf angepasst werden.

7.2 Abschließende Überlegung

Im Zeitalter der Mechatronik, ist der derzeitige mechanische Antrieb der Ölförderpumpe nicht mehr zeitgemäß. Der Wirkungsgrad wird verschlechtert und die Steuerungsmöglichkeiten sind begrenzt.

Vergleicht man den Kraftfahrzeugmotor mit dem Verbrennungsmotor eines Blockheizkraftwerkes, so stellt man fest, dass die Laufleistung eines BHK das ca. 100-fache der Laufleistung des Kraftfahrzeugmotors beträgt. Diese Motoren werden im Mittel nach einer Durchschnittslaufzeit von 7 Jahren abgestellt. Der Verschleiß ist hier hauptsächlich deswegen so niedrig weil sich dieser Verbrennungsmotor permanent in Bewegung befindet und die beiden Reibpartner hier vollkommen voneinander getrennt sind. Dies ist beim Kraftfahrzeug jedoch ausschließlich mit meiner Erfindung möglich.

Claims (5)

1. System zur Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors der durch nachfolgende Unterpunkte gekennzeichnet ist:
2. 1. Aufbau des Schmieröldrucks vor dem Startvorgang des Motors durch eine elektrische Ölförderpumpe.
3. 2. Sicherstellung des Schmieröldrucks beim Auslaufen des Motors durch eine elektrische Ölförderpumpe.
4. 3. Schutz des Abgasturboladers durch Aufrechterhaltung des Schmieröldrucks bei Motorstillstand durch eine elektrische Ölförderpumpe.
5. 4. Ansteuerung der elektrischen Ölförderpumpe durch ein Steuergerät in dem der Öldruck im letzten Glied der Schmierölkette, die Öltemperatur, die Motordrehzahl, der Lastzustand sowie die Drehzahl des Abgasturboladers als Sensorgrößen eingehen um den Bedarf an Schmieröldruck zu decken und den Gesamtwirkungsgrad des Motors und damit die Abgabeleistung zu verbessern.