DE102005046514A1

DE102005046514A1 - Brennkraftmaschine mit Wärmetauschsystem sowie Verfahren zum Wärmetausch in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005046514A1
Application number: DE102005046514A
Authority: DE
Inventors: Bert Pingen; Ingo Lenz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Motor mit Motoröl und einem Motorölsumpf, mit einem Getriebe mit Getriebeöl und einem Getriebesumpf, mit einer Abgasleitung von dem Motor zum Austritt in die Umgebung und mit einem Wärmetauschersystem mit einem Wärmeübertragungsmedium und wenigstens einem Wärmetauscher. Zur Verkürzung der Warmlaufphase und besseren Wärmevertilung in der Brennkraftmaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Wärmetauschersystem zur direkten Wärmeübertragung zwischen Getriebe (3) und Motor (1) und/oder Getriebe (2) und einer Wärmequelle und/oder Motor (1) und einer Wärmequelle angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Motor mit Motoröl und einem Motorölsumpf, ein Getriebe mit Getriebeöl, eine Abgasleitung von dem Motor zum Austritt in die Umgebung und ein Wärmetauschsystem mit einem Wärmeübertragungsmedium und wenigstens einem Wärmetauscher, sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wärmeaustausch in der Brennkraftmaschine.

Allgemein ist eine solche Brennkraftmaschine mit einem Wärmetauschsystem aus der EP 0 870 911 bekannt. In einer solchen Brennkraftmaschine sind gesonderte Kreisläufe für Kühlwasser und Schmier- oder Getriebeöl zum gegenseitigen Wärmeaustausch vorgesehen. Zur schnelleren Erwärmung der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass das aus einem Wasser-Öl-Wärmetauscher abfließende Kühlwasser im Temperaturniveau den Temperaturen weiterer am Kühlkreislauf angeschlossener Einrichtungen angepasst wird. Dies dient einer besseren und schnelleren Wärmeverteilung zwischen dem Öl- und dem Wasserkreislauf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wärmetransport in einer Brennkraftmaschine in der Phase des Erwärmens weiter zu verbessern und die Warmlaufphase zu verkürzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Wärmetauschsystem zur direkten Wärmeübertragung zwischen Getriebe und Motor und/oder Getriebe und einer Wärmequelle und/oder Motor und einer Wärmequelle angeordnet ist.

Verfahrensseitig wir die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmeübertragung zwischen Getriebe und Motor und/oder zwischen Getriebe und Wärmequelle und/oder zwischen Motor und Wärmequelle direkt mit einem Wärmeübertragungsmedium erfolgt.

Im Sinne der Erfindung liegt es, das Motoröl und/oder das Getriebeöl mittels eines Wärmetauschsystems gegenseitig oder durch eine weitere Wärmequelle zu erwärmen.

Dazu kann das Wärmeübertragungsmedium ausgewählt sein aus den Medien Kühlwasser, Abgas, Getriebeöl oder Motoröl. Ein einseitig offenes Wärmetauschsystem wird vorzugsweise mit einem der Medien Abgas, Getriebeöl oder Motoröl gespeist, dagegen ein geschlossenes Wärmetauschsystem vorzugsweise mit Kühlwasser oder einem anderen geeigneten Wärmeübertragungsmedium.

Vorzugsweise ist die Wärmequelle Abgas, entweder aus dem Verbrennungsmotor selbst oder aus einer Standheizung, oder direkt ein Standheizungsbrenner oder ein sonstiger Brenner des Fahrzeugs. Das Motorabgas entstammt den Verbrennungsvorgängen der Zylinder des Motors. Besonders bevorzugt weist dazu die Abgasleitung eine Drosselklappe auf, wobei motor- und austrittsseitig von der Drosselklappe jeweils eine Abgasweiche eine Abgasumleitung bildend angeordnet ist, und wobei in der Abgasumleitung wenigstens ein Wärmetauscher des Wärmetauschsystems angeordnet ist. Dabei kann die Abgasumleitung nur eine kurze Umleitung um die Drosselklappe sein, wobei die Abgaswärme über einen Wärmetauscher auf ein Wärmeübertragungsmedium übertragen wird, oder die Abgasumleitung in einem längeren Rohrsystem durch den Motorölsumpf und/oder den Getriebeölsumpf erfolgen, wobei das Abgas das Wärmeübertragungsmedium ist und seine Wärme über jeweils einen Wärmetauscher in dem Motorölsumpf und/oder Getriebeölsumpf auf das Öl übertragen wird.

Zweckmäßig ist es, dass in der Abgasumleitung motorseitig vor und/oder austrittsseitig hinter dem Abgaswärmetauscher eine steuerbare und/oder regelbare Klappe angeordnet ist. In Zusammenspiel mit der Drosselklappe der Abgasleitung kann, je nach Leistungsabfrage oder Abgasvolumen bzw. Abgasdurchströmgeschwindigkeit, die Menge des umgeleiteten Abgasvolumens geregelt bzw. gesteuert werden. Ebenfalls kann auch der Parameter der Öltemperatur des Motors und/oder des Getriebes und/oder die Kühlwassertemperatur des Motors in die Regelung einfließen. Bei hoher Leistungsabfrage wie auch bei hoher Öltemperatur wird die Drosselklappe in der Abgasleitung umso weiter geöffnet und die Klappe in der Abgasumleitung geschlossen. Alternativ kann auch eine konstante Drosselung über die Drosselklappe erfolgen, wobei das durch die Abgasumleitung und somit über den zumindest einen Abgaswärmetauscher geleitete Volumen mittels der regel-/steuerbare Klappe reguliert wird.

In einer Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Motoröl auf das Getriebeöl ist vorgesehen, dass das Wärmetauschsystem einen geschlossenen Wärmetauschkreislauf des Wärmeübertragungsmediums mit wenigstens zwei Wärmetauschern aufweist, wobei der eine Wärmetauscher in dem Motorölsumpf und der andere Wärmetauscher in dem Getriebeölsumpf angeordnet ist. Eine derartige Anordnung dient zur Wärmeübertragung vom sich schneller erwärmenden Motoröl auf das Getriebeöl. Die Wärme des Motoröls wird in einem ersten Wärmetauscher auf das Wärmeübertragungsmedium, und von dort über einen zweiten Wärmetauscher auf das Getriebeöl übertragen.

In einer anderen Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Abgas auf das Motor-/Getriebeöl ist vorgesehen, dass das Wärmetauschsystem einen geschlossenen Wärmetauschkreislauf des Wärmeübertragungsmediums mit wenigstens zwei Wärmetauschern aufweist, wobei ein Wärmetauscher in dem Motorölsumpf und/oder ein Wärmetauscher in dem Getriebeölsumpf und ein Wärmetauscher in der Abgasleitung angeordnet ist. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei über einem geschlossenen Kreislauf des Wärmetauschsystems, wobei die Wärme von einer Wärmequelle über wenigstens einen ersten Wärmetauscher auf das Wärmeübertragungsmedium und nach dessen Transport durch das Wärmetauschsystem über wenigstens einen zweiten Wärmetauscher auf das Motoröl übertragen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärme in der zweiten Übertragung von dem Wärmeübertragungsmedium über einen wenigstens zweiten oder dritten Wärmetauscher in dem Getriebesumpf auf das Getriebeöl transferiert werden. In der Ausführungsform, bei der die Wärme des Wärmeübertragungsmediums sowohl auf das Motoröl als auch auf das Getriebeöl übertragen wird, können die beiden entsprechenden Wärmetauscher in der Leitung in Reihe geschaltet sein.

In einer abgewandelten Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Abgas auf das Motor-/Getriebeöl ist vorgesehen, dass der in dem Motorölsumpf angeordnete Wärmetauscher und der im Getriebeölsumpf angeordnete Wärmetauscher in dem Wärmetauschsystem parallel geschaltet sind. Bevorzugt kann dann wenigstens ein Stellventil zumindest einem dieser beiden Wärmetauscher zulaufseitig vor- und/oder rücklaufseitig nachgeschaltet sein. Die Parallelschaltung der Wärmetauscher ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die beiden Öle. Durch wenigstens ein Stellventil kann der Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums zu Gunsten eines Wärmetauschers im Vergleich zu dem anderen Wärmetauscher reguliert werden, so dass die Wärmeübertragung in seinem Umfang gezielt auf das eine oder andere Öl beeinflußt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform, betreffend die Wärmeübertragung vom Abgas auf das Motor-/Getriebeöl, ist vorgesehen, dass das Wärmetauschsystem als zumindest einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Motoröl oder Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium gespeist ist und wenigstens einen Wärmetauscher aufweist, wobei ein Wärmetauscher in der Abgasleitung angeordnet ist. Das Motoröl oder Getriebeöl wird vorlaufseitig in die Leitungen des Wärmetauschsystems einsaugt, daraufhin zu dem Abgaswärmetauscher transportiert und nimmt dort Abgaswärme auf, wird weiter zum rücklaufseitigen Auslaß der Leitungen transportiert und vermischt sich dort mit dem übrigen Öl im Sumpf. Im Falle eines Getriebeölumlaufs erfolgt der Öltransport in den Leitungen bevorzugt mittels wenigstens einer Förderpumpe.

In einer abgewandelten Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Motoröl auf das Getriebeöl oder umgekehrt ist vorgesehen, dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Motoröl als Wärmeübertragungsmedium gespeist ist und wenigstens einen Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher im Getriebeölsumpf angeordnet ist, oder dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium gespeist ist und wenigstens einen Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher im Motorölsumpf angeordnet ist. Somit wird Wärme von dem nach dem Start des Motors schneller und früher erwärmten Motoröl auf das Getriebeöl übertragen. Im Falle eines Getriebeölumlaufs erfolgt der Öltransport in den Leitungen bevorzugt mittels wenigstens einer Förderpumpe.

In einer anderen Ausführungsform zur zweifachen Wärmeübertragung, einerseits vom Abgas auf das Motoröl und andererseits vom Abgas auf das Getriebeöl, sind zwei jeweils einseitig offene Wärmetauschsysteme vorgesehen, wobei das eine Wärmetauschsystem mit Motoröl und das andere mit Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium durchströmt ist und jedes Wärmetauschsystem einen Wärmetauscher aufweist, wobei die beiden Wärmetauscher in der Abgasleitung angeordnet sind. Die parallele Wärmeübertragung einerseits vom Abgas auf das Motoröl und andererseits vom Abgas auf das Getriebeöl erfolgt in zwei voneinander getrennten Systemen, wobei der Öltransport in den Leitungen des Getriebeölumlaufs bevorzugt mittels wenigstens einer Förderpumpe erfolgt. Die beiden Abgaswärmetauscher der zwei Systeme sind bevorzugt in der Abgasumleitung hintereinander geschaltet, besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher des Getriebeölsystems motorseitig und des Wärmetauscher des Motorölsystems auslassseitig in der Abgasumleitung angeordnet, da das Getriebeöl in der Aufwärmphase ohne Wärmeaustausch langsamer aufgewärmt wird als das Motoröl.

Zweckmäßigerweise kann in den Ausführungsformen mit offenen und mit Motoröl gespeisten Wärmetauschsystemen das Wärmetauschsystem mit in den Ölkreislauf integriert werden. Bevorzugt wird dabei der Vorlauf des Wärmetauschsystems an der Motorölpumpe des Motors angeschlossen sein. Somit kann durch die Verwendung der bereits in dem Motor betrieben Motorölpumpe auf eine zusätzliche Förderpumpe in dem Wärmetauschsystem verzichtet werden.

Zweckmäßigerweise kann in den Ausführungsformen mit offenen, mit Getriebeöl gespeisten Wärmetauschsystemen und bereits vorhandener Pumpe/Pumpen im Getriebe das Wärmetauschsystem mit in den Getriebeölkreislauf integriert werden. Somit kann durch die Verwendung der bereits in dem Getriebe betriebenen Getriebeölpumpe auf eine zusätzliche Förderpumpe in dem Wärmetauschsystem verzichtet werden. Vorteilhaft ist es in allen Ausführungsformen mit flüssigem Wärmeübertragungsmedium, dass in dem Wärmetauschsystem wenigstens eine Förderpumpe angeordnet ist. Die Förderpumpe kann in den Ausführungsformen mit offenen und mit Motoröl gespeisten Wärmetauschsystemen alternativ oder zusätzlich zum Anschluss des Wärmetauschsystems an die Motor- und/oder Getriebeölpumpe vorgesehen sein.

In einer weiteren Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Abgas auf das Motor-/Getriebeöl ist vorgesehen, dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Abgas als Wärmeübertragungsmedium gespeist ist und wenigstens einen im Motorölsumpf und/oder im Getriebeölsumpf angeordneten Wärmetauscher aufweist. Dazu wird Abgas über eine Abgasumleitung direkt durch den Sumpf geleitet, wo das heiße Abgas seine Wärme über einen Tauscher auf das Öl überträgt. Es kann sowohl eine einfache Wärmeübertragung entweder auf das Motoröl oder das Getriebeöl vorgesehen sein, als auch eine Übertragung auf Motor- und Getriebeöl in Reihe.

In einer abgewandelten Ausführungsform zur Wärmeübertragung vom Abgas sowohl auf das Motoröl als auch auf das Getriebeöl ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher in dem Motorölsumpf und der Wärmetauscher im Getriebeölsumpf in dem Wärmetauschsystem parallel geschaltet sind. Bevorzugt ordnet man dann dabei wenigstens ein Stellventil zumindest einem dieser beiden Wärmetauscher zulaufseitig vor- und/oder rücklaufseitig nachgeschaltet zu. Durch wenigstens ein Stellventil kann der Durchfluss des Abgases zu Gunsten eines Wärmetauschers im Vergleich zu dem anderen Wärmetauscher reguliert werden, so dass die Wärmeübertragung in seinem Umfang gezielt auf das eine oder andere Öl beeinflußt werden kann.

Die Steuerung/Regelung des Wärmetransportes kann je nach Ausführungsbeispiel nach verschiedenen Methoden erfolgen. Bei geschlossenen Wärmeübertragungssystemen verwendet man bevorzugt die im Kreislauf des Wärmetauschsystems angeordnete Förderpumpe. Bei offenen Systemen, die eine eigene Förderpumpe im offenen Kreislauf aufweisen, kann diese zur Steuerung/Regelung bevorzugt mitverwendet werden. Bei offenen Systemen, die die Förderpumpe des Hauptkreislaufes mitverwenden (z. B. Motorölpumpe, Getriebeölpumpe), wird bevorzugt ein Stellventil im offen Kreislauf zu Steuerung/Regelung verwendet. Zusätzlich und/oder alternative kann bei Wärmetauschsystemen mit Abgas als Wärmequelle die Wärmemenge gezielt durch eine Steuerung/Regelung der durch den/die Wärmetauscher geleitetet Abgasmenge erzielt werden.

Zur Regelung/Steuerung der Wärmeübertragung ist es in allen Ausführungsformen mit einem Wärmetauscher in dem Getriebeölsumpf zweckmäßig, dass ein Getriebeöltemperaturfühler in dem Getriebe angeordnet ist und/oder daß ein Temperaturfühler im Kreislauf des Wärmeübertragungsmediums angeordnet ist.

Zur Regelung/Steuerung der Wärmeübertragung ist es in allen Ausführungsformen mit einem Wärmetauscher im Motorölkreislauf zweckmäßig, dass ein Motoröltemperaturfühler im Motor angeordnet ist und/oder daß ein Temperaturfühler im Kreislauf des Wärmeübertragungsmediums angeordnet ist.

Um Kosten hinsichtlich der oben beschriebenen Sensorik zu verringern könnten man auch ein ungenaueres Temperaturmodell verwenden, das als Eingangsgrößen dann z.B. Motorbetriebszustand, Kühlwassertemperatur und/oder Abgastemperatur verwendet. Andererseits kann dieses Modell auch zusammen mit den oben erwähnten Sensoren betrieben werden. Dann dient es zur Kontrolle der ständigen Funktionstüchtigkeit.

Die Erfindung ist nicht ausschließlich auf das Vorhandensein einer konventionellen Ölsumpfschmierung beschränkt. Sie kann auch bei einer Trockensumpfschmierung Verwendung finden. Dann würde man den entsprechenden Wärmetauscher im Motor bevorzugt im Druckölvorratsbehälter anordnen. Wenn hier die Rede von Ölsumpf ist, erfolgt dies aus Gründen der Klarheit. Von daher ist mit Ölsumpf jeder Behälter gemeint, in dem Schmieröl gesammelt und/oder gespeichert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 17 in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Motor- und Getriebeöl;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motoröl;
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Getriebeöl;
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motor- und Getriebeöl in Reihenschaltung;
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem fünften Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motor- und Getriebeöl in Parallelschaltung;
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem sechsten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motoröl;
7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem siebten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motoröl;
8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem achten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Getriebeöl;
9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem neunten Ausführungsbeispiel mit zwei offenen Wärmetauschsysteme zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motoröl sowie Abgas und Getriebeöl;
10 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem zehnten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Motor- und Getriebeöl;
11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem elften Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen und Getriebe- und Motoröl;
12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem zwölften Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motoröl;
13 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem dreizehnten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Getriebeöl;
14 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem vierzehnten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motor- und Getriebeöl in Reihenschaltung;
15 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel mit einem offenen Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Motor- und Getriebeöl in Parallelschaltung;
16 eine schematische Darstellung einer Abgasumleitung mit einem Wärmetauscher und einer motorseitigen Regel-/Steuerklappe; und
17 eine schematische Darstellung einer Abgasumleitung mit einem Wärmetauscher und einer austrittsseitigen Regel-/Steuerklappe.
Die 1 bis 15 zeigen in einer schematischen Darstellung erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen mit einem Motor 1 mit Motoröl und einem Motorölsumpf 2, einem Getriebe 3 mit Getriebeöl und einem Getriebeölsumpf 4. Das Getriebe 3 ist mit dem Motor 1 über eine Kupplung 5 verbunden. Von dem Zylinderkopf 6 des Motors 1 erstreckt sich eine Abgasleitung 7 in die Umgebung (in den 1, 10 und 11 nicht dargestellt).
1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein geschlossenes Wärmetauschsystem zum Wärmeaustausch zwischen Motor- und Getriebeöl. Das Wärmetauschsystem weist zwei Wärmetauscher 8 auf, wobei ein Wärmetauscher 8a in dem Motorölsumpf 2 und der andere Wärmetauscher 8b in dem Getriebeölsumpf 4 angeordnet ist. Die Wärme des sich in der Aufwärmphase des Motors 1 schneller erwärmten Motoröls wird auf das Getriebeöl übertragen. Dazu überträgt das Motoröl seine Wärme über einen ersten Wärmetauscher 8a auf ein Wärmeübertragungsmedium 9, das erwärmte Übertragungsmedium 9 wird in dem geschlossenen Kreislauf über eine steuer-/regelbare Förderpumpe 10 zu dem Wärmetauscher 8b transportiert, überträgt dort Wärme auf das deutlich kältere Getriebeöl und wird dabei selbst abgekühlt. Weiter durch die Leitungen transportiert, erreicht das abgekühlte Wärmeübertragungsmedium 9 wieder den Wärmetauscher 8a, um dort für einen neuen Zyklus bereit zu stehen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel zur Wärmeübertragung in einem geschlossenen Kreislauf ist in 2 dargestellt. Das darin gezeigte Wärmetauschsystem dient der Übertragung der aus den Verbrennungsvorgängen der Zylinder des Motors 1 entstammenden Abgaswärme auf das Motoröl. Motorabgas wird also als Wärmequelle verwendet. Dazu weist die Abgasleitung 7 hinter den Krümmern eine Drosselklappe 11 auf, wobei motor- und austrittsseitig von der Drosselklappe jeweils eine Abgasweiche zu einer Abgasumleitung 12 angeordnet ist. In der Abgasumleitung 12 ist ein Wärmetauscher 8a des Wärmetauschsystems angeordnet.
Aus den 16 und 17 ist die Anordnung einer steuer-/regelbaren Klappe 13 entweder motorseitig vor (16) oder umgebungsseitig hinter (17) dem Wärmetauscher 8a ersichtlich. Durch die Klappe 13 wird der die Volumenmenge des durch den Wärmetauscher 8a geleiteten Abgases und somit die auf das Wärmetauschsystem übertragene Wärmemenge in Abhängigkeit einer Vielzahl von Messparametern bestimmt. Die Drosselklappe 11 in der Abgasleitung 7 dient einer konstanten Drosselung. Der Druckverlust des Abgases ist entsprechend an der Drosselklappe 11 höher als über die Abgasumleitung 12. Vorstellbar ist es alternativ die Drosselklappe 11 durch eine konstante Drosselstelle zu ersetzen, die eine höhere Drosselwirkung aufweist, als der Strömungsweg durch die Wärmetauscher. Diese Anordnung ist kostengünstiger, hat aber den Nachteil des erhöhten Abgasgegendrucks bei Normalbetrieb, d. h. kein Wärmetransport zum Motor- bzw. Getriebeöl.
In Anlehnung an das zweite Ausführungsbeispiel ist in einem dritten Ausführungsbeispiel in 3 ein Wärmetauschsystem zur Wärmeübertragung von Abgaswärme auf Getriebeöl dargestellt. Der zweite Wärmetauscher 8b des Wärmetauschsystems im Kreislauf ist dazu in dem Getriebeölsumpf 4 angeordnet.
In weiterer Anlehnung an die beiden Ausführungsbeispiele zwei und drei zeigt 4 ein Wärmetauschsystem in einen geschlossenen Kreislauf des Wärmeübertragungsmediums 9 zur Übertragung der Abgaswärme auf das Motor- und das Getriebeöl. Dazu umfasst der Kreislauf drei Wärmetauscher 8a, 8b, 8c, wobei der Wärmetauscher 8b in dem Motorölsumpf 2 und der Wärmetauscher 8c in dem Getriebeölsumpf 4 angeordnet ist. Die Abgaswärme wird in einer Reihenschaltung der Wärmetauscher 8b, 8c zunächst auf das Motoröl und danach auf das Getriebeöl übertragen. Zum Transport des Wärmeübertragungsmediums 9 ist eine Förderpumpe 10 in dem Rücklauf des Kreislaufsystems angeordnet. Alternativ kann die Förderpumpe auch zulaufseitig an einer Position zwischen den Wärmetauschern 8a, 8b oder 8b, 8c betrieben werden. Die Wärmetauscher 8b und 8c können alternative auch in umgekehrter Reihenfolge oder parallel in der Abgasumleitung 12 angeordnet sein.
Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel fünf unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel vier dadurch, dass die Wärmetauscher 8b, 8c nun parallel geschaltet sind. Die Förderpumpe 10 ist rücklaufseitig vor oder zulaufseitig hinter dem Wärmetauscher 8a positioniert. Des weiteren weist das Wärmetauschsystem ein Stellventil 14, zulaufseitig vor oder rücklaufseitig hinter einem der Wärmetauscher 8b oder 8c geschaltet ist. Die Parallelschaltung der Wärmetauscher 8b, 8c ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die beiden Öle. Durch das Stellventil 14 wird der Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums 9 zu Gunsten eines Wärmetauschers (8b oder 8c) im Vergleich zu dem anderen Wärmetauscher (8c oder 8b) reguliert, so dass die Wärmeübertragung in seinem Umfang gezielt auf das eine oder andere Öl beeinflußt wird. Das Stellventil 14 bietet zwar Vorteile, kann jedoch in einer Abwandlung entfallen.
Das Ausführungsbeispiel sechs (6) stellt ein einseitig offenes Wärmetauschsystem für die Wärmeübertragung vom Abgas auf das Motoröl dar. Das Motoröl im Motorölsumpf 2 tritt dazu rücklaufseitig in die Leitungen des Wärmetauschsystems ein, wird von dort zu dem Abgaswärmetauscher 8 transportiert und nimmt dort Abgaswärme auf. Von dort wird das Wärmeübertragungsmedium 9 mittels einer Pumpe weiter zum zulaufseitigen Auslass der Leitungen transportiert und vermischt sich dort mit dem übrigen Motoröl im Sumpf. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung, kann das Wärmetauschsystem durch einen weiteren Wärmetauscher im Getriebeölsumpf erweitert werden, wodurch sich eine Reihenschaltung ergibt. Dabei kann diese zusätzlich Wärmetauscher im Getriebesumpf sowohl im Vor- als auch im Rücklauf des Abgaswärmetauschers angeordnet sein.
In einer zum Ausführungsbeispiel sechs abgewandelten Form, dargestellt in dem Ausführungsbeispiel sieben in 7, entfällt die Förderpumpe 10. Statt dessen wird das Motoröl nicht mehr aus dem Motorölsumpf 2 abgepumpt, sondern durch die Motorölpumpe 15 des Motors 1 in den Rücklauf des offenen Wärmetauschsystems gespeist. Zur Volumenstromregulierung ist in den Leitungen des Wärmetauschsystems ein gesteuertes/geregeltes Ventil 16 angeordnet. Folglich wird durch die Verwendung der bereits in dem Motor 1 betriebenen Motorölpumpe 15 auf eine zusätzliche Förderpumpe 10 in dem Wärmetauschsystem verzichtet. Das Ventil 16 bietet zwar Vorteile, kann jedoch in einer Abwandlung z.B. aus Kostengründen entfallen.
8 zeigt im Ausführungsbeispiel acht ein dem Ausführungsbeispiel sechs entsprechendes einseitig offenes Wärmetauschsystem, jedoch wird die Wärme nicht auf das Motoröl des Motors 1, sondern auf das Getriebeöl im Getriebesumpf 4 übertragen. Dazu erfolgt der Transport des Wärmeübertragungsmediums, hier Getriebeöl 9, in den Leitungen mittels wenigstens einer Förderpumpe 10. In Anlehnung an Ausführungsbeispiel sieben kann die Förderpumpe 10 entfallen, wenn im Getriebe bereits eine Getriebeölpumpe vorhanden ist, die zum Transport des Getriebeöls 9 durch das Wärmetauschsystem mitverwendet werden kann. Zur Volumenstromregulierung kann zusätzlich ein nicht dargestelltes, gesteuertes/geregeltes Ventil zum Einsatz kommen. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung, kann das Wärmetauschsystem durch einen weiteren Wärmetauscher im Rotorölsumpf ergänzt werden, wodurch sich eine Reihenschaltung ergibt. Dabei kann dieser zusätzliche Wärmetauscher im Motorölsumpf sowohl im Vor- als auch im Rücklauf des Abgaswärmetauschers angeordnet sein.
Das Ausführungsbeispiel in 9 zeigt eine Ausbildungsform zur zweifachen Wärmeübertragung, einmal vom Abgas auf das Motoröl und einmal vom Abgas auf das Getriebeöl. Die parallele Wärmeübertragung einerseits vom Abgas auf das Motoröl und andererseits vom Abgas auf das Getriebeöl erfolgt in zwei voneinander getrennten Systemen. Entsprechend wird ein Wärmetauschsystem mit Motoröl und das andere mit Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium 9 durchströmt. Beide Wärmetauschsysteme sind jeweils zu einem Ölsumpf hin geöffnete Systeme und jeweils mit einer Förderpumpe 10 ausgestattet, wobei die Förderpumpe in dem Motorölsystem entfallen kann, sofern der Motoröltransport durch die Leitungen mittels der Motorölpumpe des Motors erfolgt (nicht dargestellt). Ebenso kann die Förderpumpe des getriebeseitigen Wärmetauschsystems entfallen, sofern eine Getriebeölpumpe vorhanden ist, die den Transport des Getriebeöls durch das Wärmetauschsystem mitübernehmend kann. Zudem kann ein nicht dargestelltes, gesteuertes/geregeltes Ventil die Volumenstromregulierung übernehmen. Jedes Wärmetauschsystem weist einen Wärmetauscher 8aa, 8ab auf, die beide in der Abgasumleitung 12 angeordnet sind. Die beiden Abgaswärmetauscher 8aa, 8ab der zwei Systeme sind in der Abgasumleitung 12 hintereinander geschaltet, wobei der Wärmetauscher 8aa des Getriebeölsystems motorseitig und des Wärmetauscher 8ab des Motorölsystems auslassseitig in der Abgasumleitung 12 angeordnet ist, da das Getriebeöl in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ohne Wärmeaustausch langsamer aufgewärmt wird als das Motoröl und daher zunächst eine höhere zusätzliche Wärmeübertragung erfordert. Alternativ zur gezeigten Darstellung kann die Anordnung der Wärmetauscher 8aa und 8ab in der Abgasumleitung 12 in umgekehrter Reihenfolge oder parallel erfolgen.
10 stellt ein Wärmetauschsystem zur Wärmeübertragung vom Motoröl auf das Getriebeöl dar (Ausführungsbeispiel zehn). Das Leitungssystem wird dazu mit Motoröl als Wärmeübertragungsmedium 9 mittels einer Förderpumpe 10 oder alternativ mittels der Motorölpumpe 15 (nicht dargestellt) durchströmt. Zur Regelung/Steuerung der Wärmeübertragung auf das Getriebeöl ist ein Getriebeöltemperaturfühler 17 in dem Getriebe oder Getriebesumpf 4 angeordnet.
11 stellt eine Abwandlung zu dem Wärmetauschsystem zur Wärmeübertragung vom Motoröl auf das Getriebeöl aus dem Ausführungsbeispiel zehn dar, jedoch wird das Leitungssystem dazu mit Getriebeöl aus dem Getriebesumpf 4 gespeist. Statt der Förderpumpe 10 kann gegebenenfalls auch eine bereits vorhandene Getriebeölpumpe zum Transport des Wärmeübertragungsmediums 9 Verwendung finden.
Das Ausführungsbeispiel zwölf, dargestellt in 12, zeigt ein Wärmetauschsystem zur Wärmeübertragung vom Abgaswärme auf das Motoröl in einem einseitig offenen System mit Abgas als Wärmeübertragungsmedium 9. Abgas wird in einer Abgasumleitung 12 in das Leitungssystem eingespeist und direkt durch einen Wärmetauscher 8 im Motorölsumpf 2 geleitet, wo das heiße Abgas seine Wärme über einen Tauscher 8 auf das Motoröl überträgt.
13 zeigt ein zum Ausführungsbeispiel zwölf ähnliches Wärmetauschsystem, jedoch erfolgt die Wärmeübertragung von Abgaswärme auf das Getriebeöl (Ausführungsbeispiel dreizehn).
14 zeigt ein an die Ausführungsbeispiele zwölf und dreizehn angelehntes Wärmetauschsystem mit einer Wärmeübertragung vom Abgaswärme auf das Motoröl und auf das Getriebeöl in Reihe (Ausführungsbeispiel 14). Dabei wird bevorzugt erst der Motorölwärmetausch durchgeführt und dann der Getriebeölwärmetausch. Aber eine umgekehrte Flussrichtung ist ebenfalls denkbar.
15 zeigt eine Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel 14 insofern, als die Wärmetauscher 8a und 8b nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet sind. Ein einer bevorzugten Ausführung kann zusätzlich ein Steuerventil eingesetzt werden, um den Wärmetauscher 8 nur im Bedarfsfall mit Abgas (9) zu durchströmen. Ein diesen beiden Wärmetauschern 8a, 8b zulaufseitig vor- und/oder rücklaufseitig nachgeschaltetes Stellventil 14 reguliert die Durchflussmenge und somit die Wärmeübertragung zu Gunsten eines Wärmetauschers (8a oder 8b) im Vergleich zu dem anderen Wärmetauscher (8b oder 8a), so dass die Wärmeübertragung in seinem Umfang gezielt auf das eine oder andere Öl beeinflußt wird.
Die Position der Förderpumpe (10) kann in 1-6 und 8-11 frei im Wärmeübertragungsmediumkreislauf gewählt werden. In 5 sollte sie bevorzugt im Zu- bzw. Ablauf von Wärmetausche 8a liegen vor bzw. hinter den Verzweigungen. Die Position eines Steuerventils kann sowohl im Zu- als auch im Ablauf des entsprechenden Wärmetauschers liegen.
Es ist selbstverständlich, daß alte gezeigten Ausführungsbeispiele in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können.

1: Motor
2: Motorölsumpf
3: Getriebe
4: Getriebeölsumpf
5: Kupplung
6: Zylinderkopf
7: Abgasleitung
8: Wärmetauscher
9: Wärmeübertragungsmedium
10: Förderpumpe
11: Drosselklappe
12: Abgasumleitung
13: Klappe
14: Stellventil
15: Motorölpumpe
16: Durchstromventil
17: Temperaturfühler

Claims

Brennkraftmaschine, umfassend einen Motor mit Motoröl und einem Motorölsumpf, ein Getriebe mit Getriebeöl und einem Getriebeölsumpf, eine Abgasleitung von dem Motor zum Austritt in die Umgebung und ein Wärmetauschsystem mit einem Wärmeübertragungsmedium und wenigstens einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem zur direkten Wärmeübertragung zwischen Getriebe (3) und Motor (1) und/oder Getriebe (2) und einer Wärmequelle und/oder Motor (1) und einer Wärmequelle angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium ausgewählt ist aus Kühlwasser, Abgas, Getriebeöl oder Motoröl.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle Abgas eines Motors, Abgas einer Standheizung, ein Standheizungsbrenner oder eine separater Brenner ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung eine Drosselklappe (11) aufweist und motor- und austrittsseitig von der Drosselklappe (11) jeweils eine Abgasweiche eine Abgasumleitung (12) bildend angeordnet ist, wobei in der Abgasumleitung (12) ein Wärmetauscher (8) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasumleitung (12) motorseitig vor und/oder austrittsseitig hinter dem Wärmetauscher (8) eine steuerbare oder regelbare Klappe (13) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (11) durch eine konstant Drosselstelle ersetzt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem einen geschlossenen Wärmetauschkreislauf des Wärmeübertragungsmediums (9) mit wenigstens zwei Wärmetauschern (8) aufweist, wobei der eine Wärmetauscher (8) in dem Motorölsumpf (2) und der andere Wärmetauscher (8) in dem Getriebeölsumpf (4) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem einen geschlossenen Wärmetauschkreislauf des Wärmeübertragungsmediums (9) mit wenigstens zwei Wärmetauschern (8) aufweist, wobei ein Wärmetauscher (8) in dem Motorölsumpf (2) und/oder ein Wärmetauscher (8) in dem Getriebeölsumpf (4) und ein Wärmetauscher (8) in der Abgasleitung (7, 12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der im Motorölsumpf (2) angeordnete Wärmetauscher (8) und der im Getriebeölsumpf (4) angeordnete Wärmetauscher (8) im Wärmetauschsystem parallel geschaltet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stellventil (14) zumindest einem dieser beiden Wärmetauscher (8) zulaufseitig vor- und/oder rücklaufseitig nachgeschaltet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem als zumindest einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Motoröl oder Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium (9) gespeist ist und wenigstens einen in der Abgasleitung (7, 12) angeordneten Wärmetauscher (8) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Motoröl als Wärmeübertragungsmedium (9) gespeist ist und wenigstens einen im Getriebeölsumpf (4) angeordneten Wärmetauscher (8) aufweist, oder dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium (9) gespeist ist und wenigstens einen im Motorölsumpf (2) angeordneten Wärmetauscher (8) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei jeweils einseitig offene Wärmetauschsysteme vorgesehen sind, wobei das eine Wärmetauschsystem mit Motoröl und das andere mit Getriebeöl als Wärmeübertragungsmedium (9) durchströmt ist und jedes Wärmetauschsystem einen in der Abgasleitung (7, 12) angeordneten Wärmetauscher aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf des mit Motoröl gespeisten offenen Wärmetauschsystems an der Motorölpumpe (15) des Motors (1) angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauschsystems wenigstens ein Durchstromventil (16) angebracht ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf des mit Getriebeöl gespeisten offenen Wärmetauschsystems an eine Getriebeölpumpe des Getriebes (3) angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauschsystems wenigstens ein Durchstromventil (16) angebracht ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmetauschsystem wenigstens eine Förderpumpe (10) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschsystem als einseitig offenes Wärmetauschsystem mit heißem Gas als Wärmeübertragungsmedium (9) gespeist ist und wenigstens einen im Motorölsumpf (2) und/oder im Getriebeölsumpf (4) angeordneten Wärmetauscher (8) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) im Motorölsumpf (2) und der Wärmetauscher (8) im Getriebeölsumpf (4) im Wärmetauschsystem parallel geschaltet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stellventil (14) zumindest einem dieser beiden Wärmetauscher (8) zulaufseitig vor- und/oder rücklaufseitig nachgeschaltet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebeöltemperaturfühler (17) in dem Getriebe (3) angeordnet ist und/oder ein Motoröltemperaturfühler im Motor angeordnet ist und/oder ein Wärmeübertragungsmediumtemperaturfühler im Wärmeübertragungsmediumflußkreis.
Verfahren zum Wärmeaustausch in einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Motor mit Motoröl und einem Motorölsumpf, ein Getriebe mit Getriebeöl, eine Abgasleitung von dem Motor zum Austritt in die Umgebung und einen Wärmetauschsystem mit einem Wärmeübertragungsmedium und wenigstens einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung zwischen Getriebe (3) und Motor (1) und/oder zwischen Getriebe (3) und Wärmequelle und/oder zwischen Motor (1) und Wärmequelle direkt mittels eines Wärmeübertragungsmediums erfolgt.