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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Druck- und Durchflussregelung eines Schmierölkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine
in Kraftfahrzeugen zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und/oder
der Kabinenheizleistung.
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Insbesondere
bezieht es sich auf Spezial-Ölpumpen
und Öldruckruckregelungen
in Kraftfahrzeugmotoren, die sich als Sub-Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besonders gut eignen, aber auch für sich alleine betrachtet,
sehr vorteilhaft verwendet werden können.
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Es
ist bekannt, bei Ölkreisläufen in
Verbrennungskraftmaschinen für
Kraftfahrzeuge eine sorgfältige
Dimensionierung der Motorölpumpe
in Abstimmung mit dem für
Schmierungs- und Kühlungszwecke
benötigten
Schmierölbedarf
vorzunehmen. Dies ist für
einen sicheren Motorbetrieb unter allen Betriebszuständen ebenso
wichtig, wie für
die Optimierung der Motorleistung und des Kraftstoffverbrauchs. Sowohl
Anpassungen und Begrenzungen des Öldruckes mit Druckregelventilen
als auch Anpassungen des Ölvolumenstroms,
z.B. mittels mehrstufiger Ölpumpen
oder mittels variabler Ölpumpengeometrien, sind
in diesem Zusammenhang erfolgreich im Einsatz, um das motordrehzahlabhängige Förderverhalten
der für
Kfz verfügbaren
Motorölpumpen
an den Ölbedarf,
aber auch an die zulässigen
Obergrenzen des Öldrucks,
anzupassen.
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Die
nicht unerheblichen Kraftstoffeinsparpotentiale volumenstromgeregelter Ölpumpen
sind allgemein bekannt. Speziell die Mehrkosten volumenstromgeregelter Ölpumpen
haben aber bis heute dazu geführt,
dass fast alle Grosserien-Pkw mit druckgeregelten Ölkreisläufen, d.h.
mit Absteuern des zu viel durch die Ölpumpe geförderten Öls, arbeiten. Anbieter im Premium-Segment
gehen jedoch bereits den Weg, mittels sogenannter Pendelschieberölpumpen,
geregelter Duocentric-Ölpumpen
oder Spaltmaßpumpen,
dieses Kraftstoffeinsparpotential volumenstromgeregelter Ölpumpen
auch bei größeren Fahrzeugserien
zumindest teilweise zu nutzen. Dabei wird bei allen drei Typen von
Volumenstromregelung in aktuellen Pkw Anwendungen das Fördervolumen
bei gegebener Motordrehzahl mittels eines Steuerdrucks vom Hauptölkanal 5hg oder
mittels des Pumpenaustrittsdrucks, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
eines von diesem Steuerdruck druckbetätigten Aktuators, so verstellt,
dass ein fester Regelsolldruck im Hauptölkanal bzw. bei der selbstregelnden
Duocentric-Ölpumpe
am Ölpumpenaustritt
anliegt. Die Pumpe regelt dabei den Volumenstrom so, dass der mittels
einer definierten Feder vorgegebene Regelsolldruck von beispielsweise
3,5–5
bar erreicht wird. Ein Abregeln überschüssigen Öls in die Ölwanne oder
zurück
an den Pumpeneintritt ist nicht erforderlich, so dass die Pumpenverlustleistung
sinkt. Bei sehr warmem Öl
und geringer Motordrehzahl sind auch hier, wie bei konventionellen
nicht volumenstromgeregeiten Ölpumpen,
die erreichbaren Förderdrücke oftmals
geringer als der feste Regeldruck, d.h. die Vorteile der Regelung
greifen in diesem Betriebsbereich nicht.
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Die
Beobachtung der aktuellen Entwicklungstrends und des Pkw Ölpumpenmarktes
deutet in diesem Zusammenhang stark darauf hin, dass angesichts
der ständig
steigenden Kraftstoffpreise auch andere Hersteller versuchen, den
Weg in Richtung volumenstromgeregelter Ölpumpen zu gehen. Dabei sind
die Mehrkosten hier eine umso größere Hürde, je
mehr man sich vom Premium-Fahrzeug-Segment weg in Richtung besonders
kostengünstiger
Fahrzeuge bewegt.
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Dies
betrifft bereits volumenstromgeregelte Ölpumpen mit autarker Regelung
des Volumenstroms auf einen definierten Öldruckwert zwischen beispielsweise
3,5–5
bar, ganz besonders aber potentielle zukünftige Konzepte, die vorschlagen,
der volumenstromgeregelten Ölpumpe
zusätzlich
eine variable Verstellvorrichtung für den Regeldruck hinzuzufügen, so
dass temporär
Drücke
von 2 bar und weniger einstellbar werden. Wie in der einschlägigen Literatur
ausführlich
beschrieben, ist dies ist in manchen Betriebspunkten sicher vorteilhaft
zu Einsparung von Ölpumpenantriebsleistung,
verursacht aber noch einmal deutliche Zusatzkosten.
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Es
ist ebenfalls bekannt, bei Ölkreisläufen in Verbrennungskraftmaschinen
für Kraftfahrzeuge Ölkühler vorzusehen,
um Wärme
vom Motoröl
ins Kühlmittel
der Verbrennungskraftmaschine zu übertragen und um auf diesem
Wege u.a. eine Überhitzung
des Motoröls
mit vorzeitiger Ölalterung
und/oder einen zu geringen Öldruck
zu vermeiden. Ölseitig
liegt der Ölkühler 3 bei
Pkw dabei i.a. in Reihe mit dem Ölfilter 4 zwischen
der Ölpumpe 2 und
dem Hauptölkanal 5hg der
Verbrennungskraftmaschine 5.
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Insbesondere
sind Kfz-Serienanwendungen bekannt, die den Motorölkühler im
Warmlauf zusätzlich
dazu zu nutzen, um Wärme
vom Motorkühlmittel ins
Motoröl
zu übertragen
und auf diesem Wege die Motorreibleistung zu verringern und Kraftstoff
zu sparen. Dies ist speziell bei Motoren hilfreich, bei denen sich
das Motorkühlmittel
wesentlich schneller erwärmt
als das Motoröl.
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Die
praktische Umsetzung dieses Ansatzes hat aber inzwischen bei vielen
Motoren und Fahrzeugen gezeigt, dass diese Vorgehensweise nur eine
begrenzte Verbesserung der Ölerwärmung bringt
und insbesondere oftmals nur bei starker Überdimensionierung des Ölkühlers – weit über das
für eine
ausreichende Ölkühlung im
Heißzustand
erforderliche Maß hinaus – die erwarteten
Ergebnisse zeigt. Derartige Ölkühler sind
oftmals zu teuer und/oder vom Bauraum her nicht unterzubringen.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass anstelle der bereits angesprochenen
selbstregelnden Pendelschieberpumpe bzw. Duocentric-Ölpumpe inzwischen
auch andere Systeme für
PKW-Anwendungen verfügbar
sind, wie z.B. drehzahlgeregelte Ölpumpen, nur temporär aktivierte
elektrische Hilfspumpen oder auch die bereits erwähnten Spaltmaßpumpen, bei
denen die Überlappung
der Zähne
einer Zahnradpumpe zur Anpassung an den erforderlichen Ölvolumenstrom
aktiv variiert wird. Alle derartigen Systeme, die den erforderlichen Öldruck im
Hauptölkanal 5hg des
Motors dadurch liefern, dass der zum Druckaufbau im Hauptölkanal 5hg erforderliche
Volumenstrom mittels eines variablen Ölpumpenfördervolumenstroms und somit
ohne Überdruckabsteuerung geliefert
wird, können über die
eingesparte Ölpumpenantriebsleistung
einen signifikanten Beitrag zur Kraftstoffeinsparung liefern.
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Allen
bekannten Konzepten zur verlustarmen Reglung der Ölpumpenfördermenge
durch die Ölpumpe
selbst bzw. des Öldrucks
im Hauptölkanal 5hg ist
gemeinsam, dass diese die Fertigungskosten des Fahrzeugs steigern
und z.T. auch einen nicht unerheblichen Entwicklungsaufwand und
auch ein gewisses Entwicklungsrisiko darstellen.
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Demgegenüber besteht
die Aufgabe, den Schmierölkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine in Kraftfahrzeugen so zu verändern, dass
das Kosten/Nutzenverhältnis ölseitiger
Maßnahmen
zur Umsetzung von Kraftstoffeinsparpotentialen größer wird
und somit sowohl für
PkW im Grosserien- als auch im für
Premium-Segment nutzbar.
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Insbesondere
sind hier als ölseitige
Maßnahmen
solche Maßnahmen
zu sehen, die die Antriebsleistung der Ölpumpe und/oder die Motorreibleistung senken
und gegebenenfalls Maßnahmen,
die im Verbund mit einem Motorölkühler wärmeres Motoröl im Motorwarmlauf
und/oder bei betriebswarmem Motorkühlmittel liefern.
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Diese
Aufgabe wird vom Verfahren gemäß Patentanspruch
1 erfüllt.
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Auch
die beigeordneten Patentansprüche und
insbesondere die Einführung
der erfindungsgemäßen Spezialölpumpe und
der frernddruckgesteuerten Öldruckregelung
mittels variabler Ölabsteuerung
erfüllen
für sich
alleine und ganz besonders im Verbund mit Patentanspruch 1 diese
Aufgabenstellung.
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Dabei
stellt die erfindungsgemäße Vorgehensweise
nach Patentanspruch 1 speziell im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch
sicher, dass der Ölvolumenstrom
zum Zylinderkopf in bestimmten Betriebssituationen, in denen der Öldruck im
Hauptölkanal 5hg für eine hinreichende
Versorgung aller Schmier- und Lagerstellen ausreichend ist, größer wird,
als dies bisher üblich
ist bzw. größer als
dies bei zukünftigen
volumenstromgeregelten Ölpumpen
mit zwei und mehr Regelsolldrücken
derzeit als optimal angesehen wird.
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Dies
wirkt insbesondere dem Effekt entgegen, dass eine Absenkung des Öldrucks
auch eine Reduktion der Öldurchströmung und Ölerwärmung im
Zylinderkopf bewirkt.
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Bei
konventionellen Ölsystemen
mit Absteuerung des Öls
in Richtung Ölwanne
oder Pumpeneintritt bei beispielsweise 3,5–5 bar wird der Öldruck im Hauptölkanal 5hg z.B.
im frühen
Warmlauf des MVEG zunächst
außerhalb
des Leerlaufs den Regeldruck erreichen, da die Ölpumpe bei kaltem Öl nicht nur
besser fördert,
sondern auch der motorseitige Ölgegendruck
noch hoch ist. Ein Zusatzölstrom
in den Zylinderkopf, z.B. durch einen in dieser Phase mittels eines
Ventils geöffneten
Zusatzpfad, führt
dazu, dass weniger Öl
in die Ölwanne
abgesteuert wird und mehr Öl
durch den Zylinderkopf strömt
und erst danach über
die Ölrückläufe in die Ölwanne gelangt.
Im Verlauf des Warmlaufs sinkt durch diese Maßnahme der Öldruck im Hauptölkanal 5hg aufgrund
der Ölviskositätsabnahme
nach einiger Zeit automatisch, sobald der Regeldruck temperatur-
und drehzahlbedingt nicht mehr erreicht wird. Statistisch gesehen wird
der Motor mit dieser erfindungsgemäßen Variante also im MVEG häufiger bei
einem reduzierten Öldruck
betrieben als ein Motor mit konventioneller Absteuerung in Richtung Ölwanne oder
Pumpeneintritt. Gleichzeitig wird das Öl im Zylinderkopf besser erwärmt. Beide
Effekte kommen dem Kraftstoffverbrauch zu Gute.
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Beim
Systemen, bei denen der Öldruck
im Hauptölkanal 5hg dadurch
konstant auf einem Regelsollwert, insbesondere zwischen 3,5–5 bar gehalten
wird, dass außerhalb
des Motors eine Regelung des zum Motor geförderten Volumenstroms erfolgt – dies kann
insbesondere eine Kurzschlussregelung an der Ölpumpe oder eine Ölvolumenstromregelung der Ölpumpe selbst
sein – führt der
erfindungsgemäße Ölzusatzvolumenstrom
zum Zylinderkopf prinzipiell zu den gleichen Effekten wie oben beschrieben. Dabei
geht hier systembedingt ein gewisses Einsparpotential bezüglich der
Pumpenantriebsleistung dadurch verloren, dass der erfindungsgemäße Zusatzölstrom durch
den Zylinderkopf auch durch den Ölfilter
strömen
muss sowie gegebenenfalls durch den Ölkühler. Dies führt in den
Phasen, in denen der Regelsolldruck erreicht wird, zu einer leichten
Erhöhung des Ölpumpendrucks
am Pumpenaustritt und damit zu einer leichten Erhöhung der Ölpumpenantriebsleistung.
Dennoch ergeben sich im Zusammenspiel mit der besseren Ölerwärmung und
speziell im Zusammenspiel mit später
noch näher
beschriebenen Wärmemanagementmaßnahmen
bei vielen Motoren auch bei dieser Art der Öldruckregelung signifikante Vorteile.
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In
einem weiterführenden
Schritt schlägt
das erfindungsgemäße Vorgehen
zur Einsparung von Ölpumpenantriebsleistung
vor, dass der Öldruck
im Hauptölkanal 5hg mittels
eines aktiven Eingriffs, z.B. in die Regelsolldruckvorgabe, speziell
im unteren und mittleren Drehzahlbereich, abgesenkt wird. Die erfindungsgemäße Absteuerung
des Zusatzölvolumenstroms
zum Kopf hin wird hierbei umso wichtiger, je geringer der untere
Regelsolldruck gewählt
wird. Speziell bei sehr geringen Drücken und Basisöldurchsätzen bei
geschlossenem Zusatzölventil
zum Zylinderkopf hin, bedeutet der Zusatzölvolumenstrom zum Zylinderkopf
durch das Öffnen
des Zusatzölventils
auch nur noch eine vergleichsweise geringe Zusatzantriebsleistung
der Ölpumpe,
welche durch die thermischen Vorteile bei weitem überkompensiert
wird.
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Die
thermischen Vorteile der erfindungsgemäßen Erhöhung des Ölvolumenstroms durch den Zylinderkopf
durch die bessere Erwärmung
des Öls und
in Verbindung mit kühlmittelseitigen
Wärmemanagementmaßnahmen
für die
Verbesserung der Zylinderreibleistung sind so groß, dass
es insbesondere bereits vorteilhaft ist, bei Motoren ohne zylinderkopfseitiges
Zusatzölventil
den Ölvolumenstrom
zum Motor und damit den Druck im Hauptölkanal 5hg bei Verfügbarkeit
mehrerer Regelsolldruckwerte nicht auf das schmierungstechnisch
zulässige
Minimum abzusenken, um die minimale Ölpumpenantriebsleistung zu
erzielen. Ausgehend von einem zulässigen Minimaldruck für eine sichere
Versorgung der Lager- und Schmierstellen von beispielsweise 0,5–1 bar im Hauptölkanal 5hg sieht
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
bei einem über
externe Eingriffe regelbaren Ölsystem,
insbesondere bei einem System mit mindestens 2 Regelsolldrücken vor,
den Öldurchsatz durch
den Motor bzw. den Öldruck
im Hauptölkanal nicht
auf die zulässigen
0,5–1
bar abzusenken, sondern den Regelsollwert wieder auf ca. 1–1,5 bar
anzuheben, um dem Einbruch des ölseitigen
Wärmeübergang
im Zylinderkopf entgegenzuwirken. Je nach Motor und Temperaturfenster
von Kühlmittel
und Öl überkompensiert
bereits dieser Effekt für
sich allein den Mehraufwand für
die Ölpumpenantriebsleistung aufgrund
der erhöhten Ölfördermenge
und des erhöhten Öldrucks.
Bei Ölsystemen
mit Öldruckregelung über Absteuern
direkt an der Ölpumpe
wird man sich bei dieser Betriebsart angesichts des geringen Öldrucks
sehr häufig
im Bereich der Regelung über Absteuern
im Kurzschluss befinden, so dass statistisch gesehen nur sehr selten
eine Erhöhung
der hydraulischen Ölpumpenleistung
vorliegt. Aber auch bei volumenstromgeregelten Ölpumpen ist die leichte Erhöhung der
hydraulischen Ölpumpenleistung
angesichts des geringen Drucks kaum spürbar und wird durch die thermischen
Vorteile bei weitem überkompensiert.
Die Kosten für
eine Öldruckregelung
mit zwei und mehr Regeldrücken,
die über
die Motorsteuerung oder andere Vorrichtungen in Abhängigkeit
vom Motorbetriebszustand eingestellt werden erscheint aus derzeitiger
Sicht zunächst
den Kosten/Nutzen-Rahmen für
eine Pkw-Grosserienanwendung zu sprengen. Mit zunehmenden Kraftstoffpreisen
wird das sich in Zukunft jedoch voraussichtlich ändern. Dabei ist es für eine zeitnahe
Umsetzung extrem vorteilhaft, dass die oben angesprochenen Maßnahmen
noch zusätzlich
nutzbar sind. Insbesondere im Zusammenspiel mit Wärmemanagementmaßnahmen
die brennraumseitig und/oder kühlmittelseitig
erfolgen und dazu führen,
dass das Metall an der Zylinderlaufbahn und im Zylinderkopf wärmer wird
und damit auch das Öl
mehr Wärmeeintrag
erfährt,
kommen die beschriebenen Vorteile bezüglich der Ölerwärmung ganz besonders gut zur
Geltung. So ergeben sich z.B. in der erfindungsgemäßen Kombination
von im Warmlauf zunächst
stehendem Kühlmittel
und der Erhöhung
des Ölvolumenstroms im
Zylinderkopf erhebliche Synergien.
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Speziell
bei Motoren mit Kolbenspritzdüsen, die
vom Zylinderbiock her Öl
auf die Kolben sprühen ist
es insbesondere vorteilhaft, den Druck im Hauptölkanal 5hg zunächst unterhalb
des Öffnungsdrucks der Ölspritzdüsen zu halten,
bei vielen Motoren ist hier ein Wert von knapp unter 1,5 bar besonders
geeignet. Damit ist das Schmieröl
bei der Reibpaarung Kolben/Zylinder durch die fehlende Kolbenölkühlung auf
einem etwas erhöhten
Niveau und dennoch findet im Zylinderkopf die angestrebte Ölerwärmung statt, d.h.
es geht dort weniger Wärme
ins Kühlmittel
und mehr Wärme
ins Öl.
Ohne die erfindungsgemäße Vorgehensweise
wären bei
Annahme einer rein ölpumpenantriebsleistungsbasierten Ölpumpenregelung
mit zwei oder mehr Stufen zwar ebenfalls die Vorteile der deaktivierten
Kolbenspritzdüsen
umsetzbar, nicht jedoch eine gleichwertige Ölerwärmung im Zylinderkopf.
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Speziell
im späteren
Warmlauf, wenn zur Vermeidung zu starker Dampfblasenbildung im Kühlmittel
eine Durchströmung
des Motors mit Kühlmittel erforderlich
ist, liefert die erfindungsgemäße Erhöhung des Öldrucks über die
Mindestwerte der Lagerschmierung hinaus ebenfalls noch Vorteile,
da länger mit
gedrosseltem Kühlmittelvolumenstrom
gefahren werden kann und somit das Metall im Zylinderkopf und im
Zylinderblock wärmer
ist. Sowohl die wärmere Zylinderlaufbahntemperatur
als auch die bessere Ölerwärmung überkompensieren
hier die im statistischen Mittel etwas höhere Ölpumpenantriebsleistung, so
dass sich ein verbesserter Kraftstoffverbrauch ergibt. Insbesondere
ist es bei Erreichen dieses Motortemperaturniveaus vielfach vorteilhaft,
das Sollregeldruckruckniveau im Hauptölkanal zumindest temporär bis zur
völligen Ölerwärmung, auf
einen solchen Wert zu setzen, dass die Ölspritzdüsen wieder aktiviert sind,
d.h. insbesondere bei einer zweistufigen Regelung des Drucks im
Hauptölkanal 5hg den oberen
Sollöldruck
zu verwenden.
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Steht
im Gegensatz zum minimalen Kraftstoffverbrauch die maximale bzw.
schnellst mögliche Kabineheizung
im Vordergrund, so wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise einfach umgekehrt genutzt,
d.h. es wird der kleinst zulässige Öldurchfluss
durch den Motor gewählt,
indem der Öldruck
im Hauptölkanal 5hg auf
den Minimalwert von beispielsweise 0,5–1 bar geregelt wird. Hieraus
resultiert ein reduzierter ölseitiger
Wärmeübergang
im Zylinderkopf und es geht mehr Wärme ins Kühlmittel, d.h. das Kühlmittel
erreicht den Heizungswärmetauscher
auf einem höheren
Temperaturniveau, wodurch sich eine verbesserte Heizleistung ergibt.
Speziell bei Motoren mit Kolbenspritzdüsen ist hier die Absenkung
des Drucks im Hauptölkanal 5hg auf
Werte vorteilhaft, die kleiner sind als der Öffnungsdruck der am Hauptölkanal 5hg oder
an einer beliebigen anderen Position mit ähnlichem Druckniveau angeschlossenen Ölspritzdüsen für die Kolbenkühlung. Übliche Öffnungsdrücke der
Druckventile derartiger Kolbenkühldüsen liegen
bei ca. 1–2
bar, so dass es sehr gut möglich
ist, mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise,
d.h. mit temporärer
Regelung auf 0,5–1
bar im Hauptölkanal,
die Kolbenkühldüsen zu deaktivieren.
Dies liefert in der frühen
Warmlaufphase ganz erhebliche Vorteile bei der Heizleistung und
senkt im frühen
Warmlauf gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch mit und ohne Heizleistungsentnahme.
Dabei ist es gegebenenfalls im späteren Warmlauf, insbesondere
bei Abwärmeüberschuss
bzw. bei ausgeschalteter Heizung im MVEG vielfach vorteilhaft, das
Druckniveau im Hauptölkanal
zumindest so weit anzuheben, dass die Kolbenspritzdüsen wieder
aktiviert sind und helfen, den Wärmeübergang
ins Öl
zu intensivieren, insbesondere bevor vorzeitig ein erhöhter Kühlmittelstrom durch
den Motor die Zylinderlaufbahn unnötig stark abkühlt oder
Wärme durch Öffnen des
Fahrzeugkühlers
abgegeben werden muss.
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Wird
auch im Heizbetrieb auf der Kühlmittelseite
mit reduziertem Durchfluss gearbeitet, so resultiert in Verbindung
mit speziellen Hochleistungsheizungswärmetauschern in Gegenstrombauart
eine ganz besonders gute Heizleistung. Das etwas kältere Öl kostet
dabei naturgemäß etwas
Kraftstoff aufgrund der höheren
Reibleistung in der Ölpumpe
und in den Motorlagerstellen, doch speziell die höheren Zylinderlaufbahntemperaturen
bei der Vorgehensweise mit gedrosseltem Kühlmittel- und Öldurchsatz heben
diese Nachteile weitgehend wieder auf. Im Vergleich zu bekannten
Heizungen resultiert in Summe letztlich auch ein günstigerer
Kraftstoffverbrauch, ganz speziell im Vergleich zu konventionellen
Heizungen, bei denen die Betriebstemperatur des Kühlmittels
bei Stadtverkehr im Winter z.T. nie erreicht wird, oder bei denen
gar kraftstoffverbrauchsintensive Zuheizer benötigt werden.
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Angesichts
dieser Synergien liefert bereits die erfindungsgemäße Variante,
in der das Ölsystem den
erhöhten
zylinderkopfseitigen Öldurchsatz
ausschließlich
mit einer mehrstufigen Regelung des Öldrucks im Hauptölkanal 6hg – und damit
des Öldurchsatzes
durch den Motor einschließlich
des Zylinderblocks – ein
sehr gutes Kostennutzenverhältnis. Dies
gilt ganz besonders in Verbindung mit der selektiven Ansteuerung
mit hoher und niedriger Priorität für die Heizung
und unter Nutzung stehenden bzw. gedrosselten Kühlmittels im Warmlauf. Die
Zusatzkosten für
die mehrstufige Ölpumpenvolumenstromregelung
bleiben dabei gegebenenfalls bestehen, aber das Kosten/Nutzenverhältnis wird
signifikant verbessert.
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Dies
dürfte
in vielen Fällen
dafür ausreichend sein,
auch im Nicht-Premium-Segment eine mehrstufig volumenstromgeregelte
Pumpe, insbesondere eine Pendelschieberpumpe oder eine geregelte Spaltmaßpumpe kosteneffektiv
zu machen und ist, insbesondere angesichts der neuartigen Nutzung und
wegen der besonderen Wirtschaftlichkeit für die ölpumpenseitige Volumenstromregelung
als Teilaspekt der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
in die Patentansprüche
aufgenommen.
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Wie
später
anhand weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
noch näher
gezeigt werden wird, ist jedoch in vielen Fällen bereits mit Öldruckregelsystemen,
die auf dem Absteuern des überschüssigen Öls zur Ölwanne oder
zum Pumpeneintritt basieren, zumindest im Warmlauf bis zu mittleren
Motordrehzahlen annähernd
das gleiche Potential bezüglich
des Kraftstoffverbrauchs und der Heizleistung umsetzbar, mit geringeren
Fertigungskosten und geringerem Entwicklungsaufwand. Maßgeblich
ist dabei die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass
das Potential der Minimierung des Öldrucks bei volumenstromgeregelten Ölpumpen
in vielen Fällen nicht
voll zur Absenkung der Ölpumpenantriebsleistung
genutzt werden kann, ohne bei der Ölerwärmung die erzielten Vorteile
bei der Ölpumpenantriebsleistung
wieder zu verlieren, und dass es insbesondere durchaus auch möglich ist,
die oben beschriebenen Zielwerte für die temporäre Absenkung der Öldrücke mittels
motorsteuerungsseitiger Eingriffe in die Öldruckregelung konventioneller Ölpumpen, d.h.
Modifikationen der Absteuerung, zu realisieren.
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Eine
ganz erhebliche Verfeinerung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sieht wie
bereits beschrieben vor, die Erhöhung
des zylinderkopfseitigen Öldurchsatzes
dadurch zu realisieren, dass ein Zusatzventil 90k temporär öffnet und
einen Zusatzvolumenstrom vom Hauptölkanal 5hg zum Zylinderkopf freigibt.
Dies ist bereits für
sich alleine ein erheblicher Vorteil, ganz besonders jedoch ausgehend
von einem beliebigen Haupt-Ölkreisregelsystem,
welches bereits von sich aus eine Öldruckregelung mit temporärer Absenkung
des Regeldrucks auf beispielsweise 0,5–1 bar im Hauptölkanal 5hg liefert.
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In
beiden Fällen
wird die bei bisher in PKW-Motoren übliche, bei einem gegebenem
Betriebszustand des Motors fest definierte prozentuale Aufteilung
des Ölfördervolumenstroms
in einen ersten Haupt-Anteil für
den Zylinderkopf, d.h. i.a. insbesondere für die Nockenwellenlager und
die Ventiltriebselemente und einen zweiten Haupt-Anteil für den Zylinderblock,
d.h. i.a. insbesondere für
die Kurbelwellen- und Pleuellager einschließlich Ausgleichswellen und
lokaler Ölspritzdüsen, temporär in Richtung
einer stärkeren Öldurchströmung des
Zylinderkopfes verschoben. Dies liefert u.a. den Vorteil, dass die Ölpumpenantriebsleistung
in zahlreichen Betriebspunkten abnimmt, weil der Regeldruck unterschritten
wird bzw. weil der Regeldruck gegebenenfalls bewusst abgesenkt wurde.
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Gleichzeitig
reduziert sich mit dem Absenken des Öldrucks im Hauptölkanal 5hg der Öldurchsatz durch
die Lagerstellen, so dass sich das Öl in den Lagern etwas mehr
erwärmt
und sich somit im Warmlauf Reibleistungsvorteile durch speziell
im Lager etwas wärmeres Öl und i.a.
auch durch ein etwas vergrößertes Lagerspiel
ergeben. Bei der erfindungsgemäßen temporären Anpassung
des Öldrucks
im Hauptölkanal,
aber auch bereits bei völlig
konventioneller Öldruckregelung
mittels Absteuern des überschüssigen Öls zurück zur Ölwanne oder
zum Ölpumpeneintritt
und insbesondere bei einfachen Motoren ohne Motorölkühler ergeben
sich hier jedoch z.T. die noch wichtigeren Vorteile dadurch, dass
der Zylinderkopf gezielt als Wärmeübertrager
zur Übertragung
von Motorabwärme
ins Motoröl
genutzt werden kann. Der verstärkte Ölstrom im
Zylinderkopf sorgt dabei dafür,
dass weniger Motorabwärme
ins Kühlmittel
geht und mehr ins Motoröl.
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Von
ganz besonderem Vorteil erweist sich diese Vorgehensweise jedoch
wiederum im erfindungsgemäßen Zusammenspiel
mit Wärmemanagementmaßnahmen,
die gezielt die brennraum- bzw.- zylinderlaufbahnseitigen Metalltemperaturen
anheben. Stehendes Kühlmittel
bzw. gedrosselte Motorkuhlmitteldurchströmung im Warmlauf sowie gedrosselte
Motorkühlmitteldurchströmung im
betriebswarmen Zustand ergänzen
diese erfindungsgemäße Verfeinerung
ebenso vorteilhaft, wie angehobene Kühlmitteltemperaturen über ein
späteres Öffnen des Kühlerthermostaten
oder auch verbrennungsseitige Maßnahmen zur Erhöhung des
Wandwärmestroms, wie
z.B. eine erhöhte
Abgasrückführrate,
eine Ansaugluftvorwärmung
oder eine Ansaugluftdrosselung bei Verbrennung mit Luftüberschuss.
Alle diese Maßnahmen
führen
in Verbindung mit dem erhöhten Ölvolumenstrom
durch den Zylinderkopf dazu, dass im Warmlauf eine deutlich schnellere
Erwärmung
des Motoröls
eintritt und dass die Wärmeabfuhr
am Fahrzeugkühler
spürbar
später
erfolgen kann. Beide Effekte liefern einen Beitrag zur Kraftstoffeinsparung.
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Die
Absenkung des Öldrucks
mittels der Haupt-Ölkreislauf-Regelung
hat auch hier zusätzliche
Vorteile. Diese liegen wiederum nicht nur in der reduzierten Ölpumpenantriebsleistung
und im reduzierten Öldurchfluss
durch die Lager, sondern insbesondere darin, dass ein definierter Öldruck auf
niedrigem Niveau im Hauptölkanal 5hg eine
besonders einfache Bereitstellung und dennoch genaue Dosierung der
Zusatzölmenge
im Zylinderkopf ermöglicht.
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Im
Vergleich zwischen Volumenstromregelung oder Druckabsteuerregelung
der Ölpumpe
ist als Zwischenergebnis bemerkenswert, dass häufiges Arbeiten mit abgesenktem Öldruck und
der Bedarf an Zusatzöl
für den
Zylinderkopf die Vorteile der volumenstromgeregelten Ölpumpe in
bezug auf die Ölpumpenantriebsleistung
deutlich absenken. Berücksichtigt
man gegebenenfalls die Nutzung des Potentials, durch die Verwendung
eines Motorölkühlers im Warmlauf
zusätzlich
für eine
bessere Ölerwärmung und
damit für
einen reduzierten Kraftstoffverbrauch zu sorgen, so ist zu berücksichtigen,
dass die vielerorts angestrebte Minimierung der Ölpumpenfördermenge bzw. der Ölpumpendrucks
mittels einer volumenstromgeregelten Ölpumpe z.T. durch einen Einbruch
der Ölkühler-Wärmeübertragungsleistung aufgrund
des geringen Ölkühler-Öldurchsatzes
verloren gehen kann. Insbesondere das Hinausschieben des Zeitpunktes
bis zum Öffnen
des Fahrzeugkühlerzweigs
bei gleichzeitiger Maximierung der Wärmeübertragung vom in dieser Phase
des Warmlaufs i.a. noch wärmeren
Kühlmittel
ins Motoröl
ist hiervon negativ betroffen. Gleiche Wärmeübertragungsleistung bedeutet
hier u.U. Zusatzaufwand auf der Ölkühlerseite.
In diesem Zusammenhang ist es besonders kritisch für das Kosten/Nutzenverhältnis bezüglich der Kraftstoffeinsparung
mittels einer volumenstromgeregelten Ölpumpe, wenn für einen
größeren Ölkühler weitere
Zusatzkosten entstehen oder wenn bereits mittels Wärmemanagement
genutzte Kraftstoffverbrauchsvorteile geringer werden weil der Ölkühler nicht
mehr so effizient genutzt werden kann.
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Speziell
bei Motoren ohne Motorölkühler erweitert
sich der Nutzen von Wärmemanagementmaßnahmen
in Verbindung mit dem erfindungsgemäß verbesserten Wärmetausch
im Zylinderkopf ganz erheblich. Hier übernimmt der Kopf z.T. zielgerichtet
Aufgaben bezüglich
der Umverteilung der Wärme
vom Kühlmittel
ins Öl
bzw. umgekehrt, für
die sonst bisher ein Ölkühler zwingend
notwendig war.
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Aber
auch bei Motoren, die aus reinen Ölkühlungsgründen oder speziell für Wärmemanagementzwecke
bereits einen Ölkühler aufweisen
sowie zusätzlich
kühlmittelseitige
Maßnahmen
zur Unterbindung bzw. Drosselung des Motorkühlmitteldurchsatzes im Warmlauf
ergeben sich erhebliche Vorteile: Diese liegen zum einen darin begründet, dass
der Einbruch der Wärmeübertragung
vom im Warmlauf i.a. wärmeren
Motorkühlmittel
ins Motoröl
am Motorölkühler, der
sich zwangsläufig
ergibt, wenn zur Erhöhung
der Zylinderlaufbahntemperatur mit stehendem Kühlwasser bzw sehr stark gedrosseltem
Motorkühlwasserdurchsatz
gearbeitet wird, zumindest teilweise kompensiert wird. Zum andern
bestehen die Vorteile wie bereits beim System ohne Ölkühler darin, dass
gegebenenfalls wesentlich länger
mit unterbundenem bzw. reduziertem Motorkühlmitteldurchsatz gefahren
werden kann, bis die Eigenschaften gängiger Motorkühlmittel
dazu zwingen, die Kühlmitteldurchsätze zu erhöhen, um
einen zu hohen Kühlmittelsystemdruck
zu vermeiden. Die verstärkte ölseitige
Kühlung
im Zylinderkopf führt
in diesem Zusammenhang auch auf eine etwas geringere Dampfblasenbildung
im Zylinderkopf und somit auf das Zusatzpotential mit etwas wärmerem Kühlmittel
zu arbeiten, was wiederum speziell an der Zylinderlaufbahn Vorteile
bringt. Dieser bisher oftmals zu wenig beachtete Sachverhalt ist
insbesondere deshalb von ganz besonderem Interesse, weil speziell
bei geringer Motorlast oftmals nicht die Bauteiltemperaturen, insbesondere
die Metalltemperaturen in der Auslassventilbrücke des Zylinderkopfes oder
im Zylinderstegbereich den limitierenden Faktor für Wärmemanagementmaßnahmen
darstellen sondern der Kühlmittelsystemdruck.
Vor diesem Hintergrund führen
bekannte PKW-Kühlmitteltemperaturregelungen
mit Wärmemanagement
oftmals zu einer verfrühten
Wärmeabgabe
am Fahrzeugkühler,
bevor alle Metall- und Ölbereiche
des Motors und des Getriebes voll durchgewärmt sind.
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Die
erfindungsgemäße Erhöhung des Öltransports
zum Zylinderkopf ist insbesondere dann einsetzbar, wenn sie nicht
zu einer Überfüllung des Zylinderkopfes
mit Öl
führt oder
zu einem Zusammenbruch des Öldrucks
im Hauptölkanal 5hg unter einen
kritischen Mindestwert. Darüber
hinaus ist es bei der Dimensionierung des Zusatzölpfades 90kle/90kleB und
bei der Strategie der Ansteuerung des Ventils 90k insbesondere
wichtig sicherzustellen, dass der thermische Gewinn durch den zylinderkopfseitigen
Zusatzölvolumenstrom
nicht durch die Erhöhung
der Ölpumpenantriebsleistung
aufgezehrt wird. Maßnahmen,
wie dies effizient sichergestellt werden kann, werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
noch näher
erläutert.
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Als
ebenso einfaches wie effizientes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 1 einen Ölkreislauf
mit direkter Regelung des Öldrucks
im Hauptölkanal 5hg der
Verbrennungskraftmaschine 5. Das Motorschmieröl wird hierbei
von der Ölpumpe 2 aus
der Ölwanne 8 angesaugt
und über
den Ölfilter 4 zum
Hautölkanal 5hg gefördert, von
wo aus es auf die zylinderblockseitigen Schmierstellen 5hl,
insbesondere der Kurbelwellen und Pleuellager sowie gegebenenfalls
der Ölspritzdüsen und
der Ausgleichswelle, und eine Versorgungsleitung 5vtr für eine ganze
Reihe zylinderkopfseitiger Schmierstellen, insbesondere der Nockenwellen
und weiterer Ventiltriebskomponenten, verteilt wird. Der Sensor 6 überwacht
den Öldruck und
gibt das Drucksignal über
die Leitung 6m an die Motorsteuerung oder an eine Öldrucküberwachungseinheit
weiter.
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Das Öldruckregelventil 2r ist
am Hauptölkanal 5hg angeschlossen
und steuert bei Überschreiten
eines Grenzwerts für
den Öldruck
die überschüssige Ölmenge in
die Ölwanne 8 ab.
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Eine
Drosselblende 5dr sorgt gegebenenfalls dafür, dass
auch bei relativ starker Veränderung der
zylinderkopfseitigen Ölentnahme
bei zunehmender Ölerwärmung stets
ein hinreichender Öldruck
im Hauptölkanal 5hg zur
Verfügung
steht. Ein Differenzdruck-Bypassventil 4b am Ölfilter 4 stellt
sicher, dass der Motor auch bei verstopftem Ölfilter oder sehr hohem Ölfilterdruckverlust
bei sehr kaltem Motoröl
mit einer ausreichenden Menge an Schmieröl versorgt wird.
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Die
bisher genannten Komponenten sind typische Bestandteile vieler PKW-Ölkreisläufe und führen i.a. dazu, dass der Absteueröldruck von
beispielsweise 3,5–5
bar im Hauptölkanal 5hg im
Warmlauf zunächst
sehr häufig,
d.h. auch bei relativ geringer Motordrehzahl, erreicht wird und
erst mit zunehmender Motorölerwärmung nur
noch bei mittleren bis hohen Motordrehzahlen.
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Als
Verbesserung bekannter Systeme sieht 1 die zusätzliche
Verbindungsleitung 90kle vom Hauptölkanal 5hg zum Zylinderkopf
vor, mit einem Ventil 90k welches von der Motorsteuerung
temporär geöffnet wird,
sobald eine erhöhte
Wärmezufuhr
zum Motoröl
gewünscht
wird und auch gefahrlos einstellbar ist. Dies ist bis zu mittleren
Motordrehzahlen bei Öltemperaturen
unterhalb 120°C
sehr häufig
der Fall, ganz besonders häufig
im Stadtverkehr und im gesetzlichen Abgastest gemäß MVEG.
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Dabei
ist bei 1 an die zusätzliche Ölabsteuerung in Richtung Zylinderkopf
speziell in den Phasen, in denen ohnehin eine Absteuerung des Öls erfolgt,
keinerlei Zusatzbelastung der Motorölpumpe 2 gekoppelt,
d.h. die erfindungsgemäße Verstärkung der
Funktion des Zylinderkopfs als Wärmeüberträger zur
Erwärmung
des Motoröls
erfolgt in diesen Phasen ohne jegliche Erhöhung der Ölpumpenantriebsleistung.
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In
Phasen, in denen die Motorölpumpe
den Absteueröldruck
von beispielsweise 3,5–5
bar nicht erreicht, ist an die Öffnung
des Ventils 90k eine Reduktion des Öldruckes und damit der Ölpumpenförderleistung
gekoppelt. In Bezug auf den Kraftstoffverbrauch hilft dieser Effekt
ebenso wie die Tatsache, dass sich das Öl schneller erwärmt.
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Des
weiteren hilft diese Absenkung des Öldrucks im Hauptölkanal 5hg teilweise
dabei, die lokale Öltemperatur
in den Lagerstellen etwas anzuheben, speziell wenn die Eigenerwärmung des Öls im Lager
aufgrund der lokalen Lagerreibleistung stärker ist als der konvektive
Wärmetransport über einem Ölkühler, welcher
das Öl
mittels des wärmeren
Kühlmittels
vorwärmt,
bevor das Öl
zu den Lagerstellen gefördert
wird. Dies ist in 1 angesichts des fehlenden Ölkühlers zwangsläufig der
Fall, aber auch bei vielen Systemen mit im Warmlauf temporär ineffizientem
oder abgeschaltetem Ölkühler.
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Wird
bei dem System gemäß 1 die
Priorität
auf die schnelle Kabinenerwärmung
gelegt, so bleibt das Ventil 90k geschlossen, so dass weniger Öl durch
den Zylinderkopf gefördert
wird. Damit bleibt das Metall im Zylinderkopf wärmer, das Öl entnimmt weniger Wärme und
die Kühlmittelaustrittstemperatur
aus dem Motor steigt, verbunden mit einer besseren Kabinenheizleistung.
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Der Ölwärmetransport
zum Ölrücklauf und zum Ölsumpf sinkt
und das kältere Öl im Ölsumpf hilft insbesondere
dabei, dass sich geringere Wärmeverluste
an der Motoroberfläche
und an der Ölwanne einstellen.
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Als
weitere Verfeinerung weist 2 einen zusätzlichen
Absteuerzweig 90gle auf, mit Absteuer-Druckregelventil 90r,
dessen Öffnungsdruck
deutlich kleiner ist als der Regeldruck des konventionellen Absteuer-Druckregelventils 2r,
sowie ein von der Motorsteuerung betätigtes Ventil 90.
Bei geschlossenem Ventil 90 arbeitet das System genau gleich
wie das System nach 1, z.B. mit einem Regeldruck
von 3,5–5
bar im Hauptölkanal,
weicher speziell bei relativ kaltem Öl im MVEG i.a. sehr häufig erreicht
wird und im späteren
Verlauf des Warmlaufs des MVEG bzw. bei warmem Motoröl nur noch
bei höheren
Motordrehzahlen.
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Im
Hinblick auf einen sicheren Motorstart und eine schnelle Durchölung des
Motors bleibt das Ventil 90 beim Start zunächst geschlossen.
Nach einer gewissen Zeit für
die Motordurchölung
und bei hinreichend geringer Motordrehzahl und gegebenenfalls bei
Erreichen einer Mindestöltemperatur
wird das Ventil 90g geöffnet,
so dass das Regelventil 90r den Maximaldruck im Hauptölkanal 5hg bestimmt
und z.B. auf 1 bar im Hauptölkanal 5hg regelt.
Im MVEG wird damit bei heute gängigen
Pkw-Motoren fast immer der Regeldruck erreicht, die Differenz zum
Pumpenöldruck
ohne das Öffnen
des Ventils 90g beträgt in
vielen Phasen zwischen 0 und 4 bar, je nachdem ob das System gemäß 1 zum
vergleichbaren Zeitpunkt im MVEG den Regelsolldruck von 4–5 bar noch
erreicht oder bereits unterschreitet. Hieran ist eine Einsparung
an Ölpumpenförderleistung
gekoppelt, die zwar geringer ist als bei einer auf den gleichen
Druck volumenstromgeregelten Ölpumpe,
aber dennoch signifikant. Neben diesen Zusatzvorteilen verglichen
mit dem System nach 1 kommen weitere Vorteile hinzu,
da der Öldurchsatz
durch die einzelnen Lagerstellen durch das häufige Öffnen des Ventils 90g statistisch
gesehen geringer wird und sich somit dort die bereits beschriebenen
Reibleistungsvorteile durch die lokale Erwärmung des Öls einstellen. Auch die Dosierung
des Volumenstroms im Zweig 90kle wird einfacher, da der Öldruck im Hauptölkanal insbesondere
im Warmlauf des MVEG fast immer definiert auf beispielsweise 1 bar
liegt.
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Das
Kosten/Nutzenverhältnis
der Ausgestaltung nach 2 ist bereits günstig, wenn
nur die Vorteile in bezug auf die Ölpumpenantriebsleistung betrachtet
werden. Nimmt man die restlichen Vorteile bezüglich der Ölerwärmung bzw. des Kraftstoffverbrauchs
hinzu sowie die Vorteile bei wasserseitigem Wärmemanagement und zusätzlich die
Vorteile bei Umkehrung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur temporären Verbesserung
der Heizung, so wird deutlich, dass der Aufwand für die beiden
Ventile 90k und 90g extrem effizient ist. Nicht
zuletzt die Weiterverwendung vorhandener Ölpumpenfertigungseinrichtungen,
die Einfachheit und die vergleichsweise hohe Betriebssicherheit
machen das System gemäß 2 zusätzlich attraktiv.
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Speziell
in Bezug auf eine erfindungsgemäße mehrstufig
volumenstromgeregelte Ölpumpe
mit mindestens 2 Regelsolldrücken
sind die Kosteneinsparungen erheblich, auch wenn gegebenenfalls speziell
in Bezug auf die Bereitstellung eines hohen Pumpendrucks bei hoher
Motordrehzahl gewisse Nachteile in Bezug auf die Pumpenantriebsleistung auf
der Hand liegen.
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Im
Hinblick auf die Einsparung von Pumpenantriebsleistung im unteren
und mittleren Drehzahlbereich, insbesondere im Warmlauf des MVEG,
ist insbesondere bereits ein vereinfachtes System gemäß 3 hoch
attraktiv und bereits nicht zwingend schlechter in Bezug auf die Ölpumpenverlustleistung, als
eine volumenstromgeregelte Ölpumpe
ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung
mit zwei oder mehr Druckregelstufen. Hinzu kommt der Sachverhalt,
dass sich bereits mit dem Einfachsystem gemäß 3 wichtige
Teilaspekte bezüglich
des zylinderkopfseitigen Öl-Wärmeübergangs
zumindest teilweise umsetzen lassen. Diese ergeben sich – mit gewissen
Abstrichen – analog
zu den Vorteilen des bereits beschriebenen Systems mit mehrstufig
volumenstromgeregelter Pumpe ohne den Zweig 90kle.
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Insbesondere
zur Reduktion der Ölverschäumung und/oder
zur Vereinfachung des Gesamtsystems kann das Abregelventil 2r gemäß 1 wahlweise
auch direkt an der Ölpumpe 2 angeordnet
sein, so wie dies heute bei vielen Ölpumpen bereits der Fall ist.
Ein entsprechendes Schaltungsbeispiel zeigt 4.
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Insbesondere
ist es zur Erhöhung
der Betriebssicherheit vorteilhaft, zusätzlich ein sogenanntes Panikventil 2p parallel
zur Ölpumpe 2 zu
verwenden, welches speziell bei extrem geringen Öltemperaturen das System vor Überdruck
schützt,
so wie in 5 exemplarisch gezeigt.
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Auch
der erfindungsgemäße Ölkreislauf
gemäß 6 weist
ein derartiges Panikventil 2p auf. Hier kommt als Haupt-Ölkreis-Regelvorrichtung
ein Regelventil 2r direkt an der Pumpe 2 zum Einsatz
mit einer Öldrucksteuerleitung 2rst,
welche den Öldruck von
einer Position stromab des Ölfilters 4,
bevorzugt aus dem Hauptölkanal 5hg,
bezieht. Eine derartige indirekte d.h. fremdöldruckgesteuerte Öldruckregelung
bietet den ganz besonderen Vorteil, dass der Zielöldruck im
Hauptölkanal 5hg besonders
genau eingehalten wird. Die Auslegung kann daher näher an das
untere Ende des für
die Betriebssicherheit des Motors zulässigen Regeldrucks erfolgen,
ohne dass für
die Warmlaufphase oder die Abdeckung des gesamten Drehzahlbandes,
d.h. bei stark unterschiedlichem Druckverlust am Ölfilter
und gegebenenfalls am Ölkühler, alzuviel
Druckreserve für
viskositätsbedingte
oder durchsatzbedingte Druckverlustvariationen vorgehalten werden
muss. Diese fremdgesteuerte (indirekte) Art der Öldruckregelung ist an sich
bekannt, wird aber erst durch die erfindungsgemäße Erweiterung mit dem Zusatzölpfad 90kle mit
Ventil 90k für
das Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
einsetzbar.
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Als
weitere Verfeinerung von 6 zeigt 7 zusätzlich einen
Eingriff in den Regeldruck des fremddruckgesteuerten (indirekt gesteuerten) Öldruckventils 2r,
bei welchem die Steuerdruckleitung 2rst durch den zusätzlichen
Absteuerzweig 2rstz über
das Öffnen
des Zusatzventils 80 temporär so manipuliert wird, dass
dies zu erhöhten
Regeldrücken
im Hauptölkanal 5hg führt. Im
Gegensatz zur Basisauslegung in 6 ist das
Ventil 2r so ausgelegt, dass es bei ungestörter Beaufschlagung
mit dem Druck aus dem Hauptölkanal 5hg trotz
der Drosselstelle 80dr einen stark reduzierten Druck im Hauptölkanal 5hg liefert.
Dies kann prinzipiell mit einem weitgehend baugleichen Regelventil 2r erfolgen,
bei welchem z.B. die Regelfeder weicher ist oder bei welchem eine
gegebenenfalls vorhandene definierte interne Leckage der Steuerleitung 2rst innerhalb
des Ventils 2r reduziert wird oder bei welchem die Flächenverhältnisse
am Regelkolben angepasst werden.
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Wahlweise
kann, wie in 7a gezeigt, anstelle des Drosselventils 80dr auch
ein Überdruckventil 80ud mit
einem Öffnungsdruck,
der kleiner als der untere Sollregeldruck des Hauptölkanals 5hg ist eingesetzt
werden, welches hinter der Verzweigung im Zweig 2rstz positioniert
ist. Wird bei einem unteren Regelsolldruck von 1 bar im Hauptölkanal 5hg der Öffnungsdruck
des Ventils 80ud im Zweig 2rstz auf beispielweise
0,8 bar gelegt, so führt
ein Öffnen des
Ventils 80 mittels der Motorsteuerung dazu, dass die Ölpumpe die
Fördermenge
erhöht,
zumindest wenn das Regelventil 2r zuvor im Regelbetrieb
war und nun augrund des Öffnens
des Ventils 80 geschlossen ist. Das Panikventil 2p stellt
dabei sicher, dass ein maximaler oberer Regeldruck nicht überschritten
wird.
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Alternativ
kann ebenfalls unter erweiterter Nutzung des Panikventils 2p auch
einfach der Steuerdruck 2rst mit dem Ventil 80 unterbrochen
werden, um vom niedrigen Basisdruck von beispielsweise 1 bar auf
einen erhöhten Öldruck im
Hauptölkanal 5hg umzuschalten,
dessen Obergrenze dann durch die Pumpencharakteristik und/oder das
Panikventil 2p definiert ist. Eine entsprechende Schaltung
zeigt 7b.
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Beim
Motorstart ist in 7 und 7a das Ventil 80 zunächst offen
bei 7b geschlossen, d.h. das Öldruckregelventil 2r wird
bei 7 und 7a aufgrund
der Leckage durch die Leitung 2rstz bzw. in 7b durch
das Schließen
des Ventils 80 nur mit einem reduzierten Steueröldruck beaufschlagt
und erhöht
somit das Ölfördervolumen
zum Motor hin aufgrund des absichtlich abgesenkten Steuersignals 2rst.
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Obwohl
nun im Hauptölkanal 5hg beispielsweise
3,5–5
bar vorliegen, liefert die Öldrucksteuerleitung 2rst in 7 nur
beispielsweise 1 bar am Öldruckregelventil 2r.
In Verbindung mit der geänderten Öffnungscharakteristik
des Öldruckregelventils 2r zu beispielsweise
1 bar Öffnungsdruck
am ventilseitigen Anschluss der Steuerleitung 2rst ergibt
sich somit ein Regelkreis mit angehobenem Öldruck im Hauptölkanal 5hg.
Die Regelgenauigkeit für
den angehobenem Druck mit einem Zielwert von beispielsweise 3,5–5 bar im
Hauptölkanal 5hg wird
nicht zuletzt aufgrund von Viskositätseffekten im Normalfall etwas
schlechter sein als bei der Regelung gemäß 6. Dies
ist jedoch bei sehr vielen Anwendungen von untergeordneter Bedeutung,
speziell wenn der erhöhte Öldruck nur
relativ selten benötigt
wird. Gegebenenfalls kann das Panikventil 2p auch gröbere Regel-Überschwinger
hin zu erhöhtem Öldruck wegdämpfen. 7 hat
in diesem Zusammenhang gegenüber 7a und 7b den besonderen
Vorteil, dass das Panikventil 2pv nach wie vor primär als Sicherheitsventil
arbeitet.
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Insbesondere
mit Blick auf die statistische Häufigkeit,
mit welcher der erhöhte Öldruck im
täglichen
Betrieb und speziell im MVEG benötigt
wird, sind die Kompromisse gemäß 7, 7a und 7b – relativ
zu einer rein technisch gesehen als erfindungsgemäßes Optimalsystem
anzusehenden System mit einer volumenstromgeregelten Ölpumpe mit
zwei und mehr Regelsolldrücken
einschließlich zylinderkopfseitigem
Zusatzpfad 90kle – extrem
attraktiv in Bezug auf das Kosten/Nutzenverhältnis, selbst wenn nur die
Vorteile bezüglich
der Ölpumpenantriebsleistung
betrachtet werden.
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Darüber hinaus
ergeben sich – mit
und ohne die erfindungsgemäßen Zusatzoptionen
bezüglich der
temporären
Erhöhung
des zylinderkopfseitigen Ölvolumenstroms
für die
Umschaltung zwischen hoher und geringer ölseitiger Wärmeübertragung im Zylinderkopf
durch das Zusatzventil 90k – in der Zusammenschau mit
den bisherigen Ausführungen
der einzelnen erfindungsgemäßen Varianten
erhebliche wirtschaftliche Vorteile für die Ölpumpenregelung mit dem Zusatzventil 80,
gegebenenfalls einschließlich der
Drossel 80dr bzw alternativ des Überdruckventils 80ud und
des Absteuerkanals der Drucksteuerleitung 2rstz.
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Dabei
ist klar, dass es in Analogie zu 7, 7a, 7b und
in 10 noch eine Reihe anderer Schaltungsvarianten
gibt, mit welchen über
ein Ventil 80 oder auf anderem Wege der Öldruck in
der Steuerleitung 2rst so manipuliert werden kann, dass zwischen
einem unteren Basisöldruck
und einem erhöhten Öldruck im
Hauptölkanal
hin- und hergeschaltet werden kann. Gegebenfalls ist sogar eine
mehrstufige oder gar stufenlose Manipulation des effektiv am Ventil 2r ankommenden Ölsteuerdrucks
relativ zum am Hauptölkanal 5hg an
die Steuerleitung 2rst angelegten Drucks mit überschaubaren
Kosten realisierbar.
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Maßgeblich
für das
erfindungsgemäße Vorgehen
ist in diesem Zusammenhang nicht nur die Tatsache, dass eine temporäre Öldruckabsenkung
in vielen Betriebspunkten realisierbar ist, sondern die Erkenntnis,
dass es entgegen dem aktuellen Entwicklungstrend aus den vielfältigen bereits
mehrfach beschriebenen Gründen
ein wesentlich besseres Kosten/Nutzenverhältnis liefert, eine praxisbewährte Öldruckregelung
mit Ölabsteuerung
zu verwenden und so zu manipulieren, dass zumindest zwei Druckniveaus
im Hauptölkanal 5hg einstellbar
werden.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Vorgehens
zeigt 8 in Verbindung mit einem Ölkühler 3 mit Überdruckbypassventil 3b,
welcher mittels der Kühlmittelanschlüsse 20 und 21 im
Wärmetausch
mit dem Kühlmittel
zur Kühlung
des Verbrennungsmotors 5 steht. Dieser befindet sich stromab
des ölpumpenseitigen Absteuerkreises
mit Regelventil 2r und Panikventil 2p und ist
bevorzugt mit dem Ölfilter 3 zu
einem Modul 34 zusammengefasst. Auch hier hilft das temporäre Aktivieren/Deaktivieren
des erfindungsgemäßen Zweigs 90kle mit
dem Ventil 90k den Wärmetausch zwischen
dem Motoröl
und dem Kühlmittel
je nach Priorität
zu intensivieren oder abzuschwächen.
In dieser Ausgestaltung wirkt das Ventil 90k zur Erhöhung des
zylinderkopfseitigen Öldurchsatzes
doppelt, d.h. am Ölkühler 3 und
am Zylinderkopf. Nicht eingezeichnet ist in 8 eine je
nach Motor vorgesehene Vorrichtung zur temporären Unterbindung des Wärmetransports
vom Kühlmittel
zum Ölkühler, wie
sie für
manche Motoren in der frühen
Phase des Warmlaufs vorteilhaft ist, wenn gleichzeitig auch die Kühlmitteldurchströmung des
Motors gedrosselt oder ganz unterbunden ist. Derartige Warmlaufstrategien zielen
darauf ab, die Zylinderlaufbahnen möglichst schnell auf ein hohes
Temperaturniveau zu bringen und erst im späteren Verlauf des Warmlaufs
auf eine Wärmezufuhr
vom Kühlmittel
ans Öl
mit Hilfe des Ölkühlers 3 umzuschalten.
Eine zu frühe
Durchströmung
des Ölkühlers 3 mit
erwärmtem
Kühlmittel
aus dem Motor ist bei derartigen Systemen oftmals schädlich für den Kraftstoffverbrauch.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise
gemäß 8 ermöglicht im
Vergleich hierzu eine bessere Ölerwärmung bei stehendem
oder gedrosseltem Kühlwasserstrom
innerhalb des Motors, indem die „Ölwärmetauscherwirkung" des Zylinderkopfes
mittels Öffnen
des Ventils 90k aktiviert wird. Auf diesem Wege kann nicht
nur länger
mit stehendem/gedrosseltem Kühlmittel
gefahren werden, sondern das Öl
wird gleichzeitig schneller erwärmt.
Hinzu kommen wiederum die übrigen
bereits ausführlich
beschriebenen Vorteile, insbesondere durch die lokal höheren Öltemperaturen in
den Lagern sowie die Möglichkeit
der Umschaltung bezüglich
maximaler Heizleistung und bestem Kraftstoffverbrauch.
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Speziell
im Hinblick auf die optimale Nutzung des Ölkühlers 3 im Warmlauf
ist es besonders vorteilhaft, eine Warmlaufschaltstrategie für das Ventil 90 und/oder
den Wärmeübergang
im Ölkühler 3 vorzusehen,
welche unter Berücksichtigung
der potentiellen Ölerwärmung im
Motorölkühler 3 bei
den momentan gegebenen Enthalpieströmen im Kühlmittel und Öl des Ölkühlers definiert,
ob es günstiger
ist, die lagerseitige Eigenerwärmung
des Öls
und die erhöhte ölseitige
Wärmezufuhr
im Zylinderkopf zu nutzen und für
maximalen Kraftstoffverbrauchsvorteil das Ventil 90 zu öffnen, oder
hierfür
das Ventil 90 geschlossen zu halten und somit den ölseitigen
Temperaturhub am Ölkühler 3 zu
maximieren, so dass besonders warmes Öl zu den Lagerstellen strömt. Dabei
ist es insbesondere vorteilhaft, in diese Strategie zusätzlich die
momentane Motordrehzahl einfließen
zu lassen, da diese das Ausmaß der
Eigenerwärmung
an den Lagerstellen maßgeblich
mitbestimmt. Speziell bei höheren
Motordrehzahlen und nur teilerwärmtem Motor
ist es in diesem Zusammenhang zum Teil günstiger, das Ventil 90k zu öffnen und
die Eigenerwärmung
an den Lagerstellen zu maximieren als auf einen maximalen ölseitigen
Temperaturhub am Ölkühler bei
geschlossenem Ventil 90k zu setzen.
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Eine
derartige Strategie ist ganz besonders dann von besonderer Bedeutung,
wenn als Erweiterung von 8, z.B. in Analogie zu 7 mittels
eines Ventils 80, gleichzeitig eine ganz besonders vorteilhafte
temporäre
Absenkung des Öldrucks
im Hauptölkanal 5hg erfolgt.
Insbesondere stellt sich dann bei dem in Summe resultierenden Öldurchsatz im
Warmlauf auch noch bei geöffnetem
Ventil 90 sehr oft eine Öltemperatur am Austritt aus
dem Ölkühler 3 ein,
welche bei kühlmittelseitig
aktiviertem Ölkühler – durch
das Geschlossenbleiben des Bypassventils 3b und den aufgrund
des reduzierten Öldrucks
begrenzten Ölgesamtdurchsatz – nahe der
Kühlmitteltemperatur
liegt und auch trotz gewisser Ölwärmeverluste noch
am Hauptölkanal 5hg weitgehend
erhalten ist.
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Zur
Verbesserung der Ölkühlerwirkung
zeigt 9 eine Weiterentwicklung von 8,
bei der die Ölentnahme
des Absteuerventils 2r zwischen dem Ölkühler 3 und dem Ölfilter 4 erfolgt.
Bei dieser Vorgehensweise wird der Wärmeübergang am Ölkühler aufgrund des erhöhten Öldurchsatzes
erheblich verbessert und es werden im Vergleich zur Absteuerung direkt
aus dem Hauptölkanal 5hg insbesondere
die Druckverluste am Ölfilter 4 bei
starker Durchströmung
des Ölkühlers 3 und
des nachgeschalteten Ölfilters 4 eingespart.
Zusätzlich
reduzieren sich die Ölwärmeverluste
durch die Vermischung am Ölkühler erwärmten und
danach abgesteuerten Öls
mit dem Öl
der Ölwanne.
In dieser Konfiguration kommt dem Ölfilterkurzschlusszweig 3b eine
besondere Bedeutung bezüglich
der Dauerfestigkeit zu, da dieser bei hohen Motordrehzahlen bzw.
bei kaltem Öl öfter aktiviert
wird als bei konventioneller Position des Ventils 2r direkt
an der Ölpumpe.
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In
Analogie zu den spezifischen Ausführungen bezüglich der Variation des zylinderkopfseitigen Öldurchsatzes
ausschließlich
mittels aktiver Beeinflussung des Drucks im Hauptölkanal 5hg,
z.B. in Analogie zu den Ausführungen
zu 3, bleiben diese spezifischen Vorteile sowie die
spezifischen Vorteile der Ölkühlereinbindung
gemäß 9 auch
beim Übergang
von 9 zu der kostenreduzierten Variante gemäß 10 weitgehend
erhalten.
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Im
Gegenzug ist – ausgehend
von 9 – zur
Maximierung des Potentials bezüglich
der Kraftstoffeinsparung und/oder zur Maximierung des Potentials
bezüglich
der Kabinenheizleistung das System gemäß 11 ganz
besonders attraktiv. Dieses System, mit der zusätzlichen Möglichkeit der aktiven Beeinflussung
des Öldrucks
im Hauptölkanal 5hg mittels
des Ventils 80, ist nicht zuletzt deswegen besonders attraktiv,
weil es eine besonders effiziente Ölkühlernutzung bei vergleichsweise
geringen Ölpumpenantriebsleistungen
und Systemkosten liefert und weil es eine sehr breitbandige Variation
des zylinderkopf- und ölkühlerseitigen
Wärmeübergangs mit
und ohne kühlmittelseitige
und/oder verbrennungsseitige Wärmemanagementmaßnahmen
ermöglicht.
Diese Vorteile relativieren die Kosten für die beiden Ventile 80 und 90k insbesondere
deshalb, weil sie Freiheitsgrade erschließen, die ohne das Ventil 90k nicht
einmal eine wesentlich aufwändigere Volumenstromregelung
der Ölpumpe,
z.B. mittels Pendelschieberpumpe mit mehrstufigem Regelsolldruck,
liefern kann.
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Die
bisherigen Ausführungen
gemäß 1 bis 11 zeigen
gegebenenfalls das Ventil 90k in einem separaten Verbindungspfad 90kle vom Hauptölkanal 5hg zum Zylinderkopf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit dessen Öffnung in
vielen Betriebspunkten der Druck im Hauptölkanal fällt und somit weniger Öl durch
die Hauptlagerstellen strömt. Dieser
Effekt senkt zum einen die Ölpumpenleistung, zum
andern führt
der geringere Öldurchsatz
durch die Lager zu einer etwas besseren lokalen Eigenerwärmung des Öls im Lager.
Außerdem
ist es auf diesem Wege besonders einfach, einen definierten Zusatzölvolumenstrom
zu realisieren, losgelöst
von der Variation der Lagerspiels der Nockenwellen etc..
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Unter
Verzicht auf diese spezifischen Vorteile ist es aber auch vorteilhaft,
die temporäre
Erhöhung
des zylinderkopfseitigen Öldurchsatzes
dadurch darzustellen, dass ein Ventil 90k einen Bypasszweig 90kleB öffnet, welcher
parallel zur Blende 5dr liegt. Ausgehend von 1 zeigt 12 ein
solches Beispiel.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
durch eine mehrstufig bzw. stufenlos auf verschiedene Öldrücke im Hauptölkanal 5hg regelbare volumenstromgeregelte Ölpumpe mit
Blick auf die bisherigen Ausführungen
in manchen Betriebssituationen durchaus noch etwas verbessert werden
könnte
und speziell bei hohen Motordrehzahlen zusätzliche Vorteile bietet, konzentrieren
sich sowohl die Beschreibung als auch die Zeichnungen sehr stark
auf Ölsysteme
mit Öldruckregelung über eine
Absteuerung des von der Ölpumpe
zu viel geförderten Öls. Dies
liegt zum einen an den Kosten, zum anderen aber auch an der Tatsache,
dass die erfindungsgemäße Hardware
die Zusatroption umfasst, eine Ölpumpe
zu verwenden, die im statistischen Mittel des Warmlaufbetriebs deutlich
reibleistungsärmer
ist als bisher im Pkw verwendete Ölpumpen. In diesem Zusammenhang
wird bevorzugt eine Spezialmotorölpumpe
für Kraftfahrzeugmotoren
verwendet, die speziell im Warmlauf wesentlich weniger Leerlaufverluste,
d.h. Verluste, die ohne den Aufbau eines nennenswerten Förderdrucks
anfallen, aufweist als bisher bei Pkw übliche Ölpumpen. Hierzu wird sichergestellt,
dass sich bei abnehmender Öltemperatur,
mittels mindestens zweier unterschiedlicher Werkstoffe für zwei spaltmaßbestimmende Ölpumpeneinzelbauteile
oder mittels autarker öltemperaturabhängiger Verstellorgane,
mindestens ein hydraulisch bestimmendes Spaltmaß, insbesondere das radiale
Spaltmaß der
Lauffläche
oder der Zähne
einer Zahnradpumpe gegenüber
dem Gehäuse
und/oder das Axialspiel der seitlichen Zahnradlaufflächen gegenüber dem
Gehäuse
einer Zahnrad- oder Flügelzellenpumpe,
autark vergrößert.
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Besonders
effizient ist hier eine Vorgehensweise, die für die Zahnräder einer Zahnradpumpe ein Material
verwendet, welches einen deutlich stärkren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist als das Pumpengehäuse,
wobei das Kaltspiel im Vergleich zu heutigen Pkw-Zahnradpumpen erheblicht
vergrößert ist,
und dass bei hohen Öltemperaturen
die Spaltmaße
so stark abnehmen, dass diese bei hohen Öltemperaturen nach wie vor
optimal für
einen ausreichenden Öldruckaufbau
bis hin zu beispielsweise 150°C Öltemperatur
und darüber
sind.
-
Bei
geeigneter Materialwahl ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft,
wenn das Axialspiel der Zahnräder
relativ zum Gehäuse
bei einer Pumpenbauteiltemperatur von 20°C einem Wert von 0,15 mm und
mehr im Neuzustand beträgt,
so dass bei relativ kaltem Öl
die pumpeninterne Reibleistung möglichst klein
ausfällt.
Die hierdurch induzierten Sekundärströmungen fallen
angesichts der hier noch relativ hohen Ölviskosität durchaus moderat aus und
stellen in der Regel ohnehin kein Problem bezüglich des Ölpumpenförderdrucks dar, da eine Pumpe
mit engerem Spaltmaß bei
noch relativ kaltem Öl
ohnehin abregeln würde.
Bei konventioneller Materialpaarung wäre ein derartiges Spaltmaß bereits
deutlich über den
Werten, die üblicherweise
als Verschleißgrenze angesehen
werden und würde
bei sehr warmem Öl zu
Problemen mit dem Öldruck
führen.
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In
Analogie zum Axialspiel ist es ebenfalls besonders vorteilhaft,
wenn das Radialspiel der Zahnräder
und/oder das Radialspiel der Außenlauffläche eines
Laufrades einer Innenzahnradpumpe relativ zum Gehäuse bei
einer Pumpenbauteiltemperatur von 20°C mehr als 0,20 mm im Neuzustand
beträgt.
Auch dieser Wert liegt relativ zu Pkw-typischen Motorölpumpen
oberhalb der Verschleißgrenze.
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Für heutige
PKW-Ölpumpen
werden i.a. Aluminium-Gehäuse
verwendet, für
die Zahnräder
Stahl. Diese Materialpaarung macht genau das Gegenteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise,
da Aluminium einen deutlich höheren
Wärmeausdehnungskoeffizient
aufweist als Stahl. Ein Gehäuse
aus Grauguss ist in diesem Zusammenhang schon eine Verbesserung,
da Grauguss einen etwas kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist
als der Stahl der Zahnräder.
Die Auswahl von Spezialstählen
mit erhöhter
Wärmeausdehnung
für die
Zahnräder
ist in diesem Zusammenhang ebenso als vorteilhafte Maßnahme denkbar
wie die Verwendung anderer Metalle für die Zahnräder, z.B. die Verwendung von gehärtetem oder
eloxiertem Aluminium.
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Mit
weniger Entwicklungsaufwand behaftet dürfte es in diesem Zusammenhang
sein, das Gehäuse
oder zumindest spaltmaßbestimmende
Teile davon aus keramischen Werkstoffen mit besonders kleiner Wärmedehnung
auszugestalten.
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Eine
weitere besonders einfache Möglichkeit mit
begrenztem Entwicklungsaufwand stellt der Aufbau des Ölpumpengehäuses in
Sandwichbauweise dar, wobei der Bereich, welcher letztlich die radialseitige
Umfassung 200 der Zahnräder
darstellt aus einem Werkstoff mit geringer Wärmedehnung dargestellt wird,
gegen welche von beiden Seitenplatten 201 aus Aluminium
oder besser noch aus Stahl gespannt werden. Diese Vorgehensweise
liefert eine axialseitige und mit gewissen Einschränkungen
auch eine radialseitige Optimierung der Leerlaufverluste bei kaltem
und teilerwärmtem
Motoröl,
wobei die Materialpaarungen der Zahnräder, der seitlichen Anlageflächen sowie
gegebenenfalls der Lagerachsen im Gehäuse nicht neu erprobt werden
müssen.
Noch besser ist es, wenn auch die Seitenplatten 201 die gleiche
Wärmedehnung
aufweisen wie die stirnseitige Umfassung 200, da sich hiermit
auch die radialen Spaltmaße
der Zahnräder
im Zahneingriff anpassen und sich zusätzlich die Gehäuseabdichtung
nach außen
aufgrund gleicher Längendehnung
der Bauteile 200 und 201 vereinfacht.
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Alternativ
lassen sich zur thermischen Spaltmaßanpassung aber auch mit überschaubarem
Aufwand bewegliche Teile für
die Stirn- und/oder Seitenflächen
des Ölpumpengehäuses verwenden,
mit durch die Öltemperatur
beaufschlagten autarken Aktuatoren, insbesondere mit thermostatischen
Stellgliedern oder einfach mit besonders langen Metallbauteilen,
welche eine angepasste thermischer Dehnung aufweisen.
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Eine
mit der erfindungsgemäßen Veränderung
der Spaltmaße
ausgestaltete Ölpumpe
wird bei kaltem Öl
aufgrund des größeren Spiels
bzw der größeren Spaltmaße – und damit
letztlich aufgrund der geringeren Gradienten der Geschwindigkeitsgrenzschichten
in den reibungsbestimmenden Spaltströmungen – eine erheblich reduzierte
Leerlaufleistung aufweisen. In Verbindung mit der geringen Leerlaufleistung
und dem ohnehin abgesenkten Öldruck
resultieren letztlich im kalten und im teilerwärmten Zustand des Öls erhebliche
Einsparungen bezüglich der Ölpumpenantriebsleistung.
Im Vergleich zu Spaltmaßpumpen
oder Pendelschieberpumpen ohne diese erfindungsgemäße Maßnahme lässt sich
auf diesem Weg soviel Leerlaufreibleistung sparen, dass der Unterschied
aufgrund der hydraulisch aufzubringenden Leistung für den abgesteuerten Ölvolumenstrom,
insbesondere im erfindungsgemäßen Betrieb bei
in vielen Betriebszuständen
abgesenkten Regeldrücken,
kaum mehr eine Rolle spielt.
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Nicht
zuletzt vor diesem Hintergrund einer besonders kleinen Leerlaufleistung
wird für
die erfindungsgemäße Öldruckregelung
bevorzugt eine Motorölpumpe
verwendet, welche keine volumenstromgeregelte Ölpumpe ist und für die Haupt-Ölkreis-Regelvorrichtung zur
Regelung und/oder Begrenzung des maximalen Schmieröldurchsatzes/Schmieröldrucks
auf ein Überdruck-Regelventil 2r oder
ein Überduckventil 2r mit
Steuerleitung 2rst zurückgegriffen.
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Es
wurde bereits mehrfach darauf hingewiesen, dass speziell die vielseitigen
Nutzungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Bauteile
letztlich dazu führen,
dass die Kosten für
Zusatzbauteile wie zusätzliche
Leitungen und Ventile bzw. sogar volumenstromgeregelte Ölpumpen
so viele Vorteile bringen, dass die Anwendung zur Kraftstoffeinsparung und/oder
Verbesserung der Kabinenbeheizung auch beim heutigen Kostendruck
bei Grosserienfahrzeugen realisierbar wird. Speziell die Möglichkeit,
die Heizleistung mit der Absenkung Öldurchströmung des Zylinderkopfes und
der Ölspritzdüsen zur
Kolbenkühlung
zu verbessern, liefert bei Fahrzeugen mit Dieselmotoren oder Ottomotoren
mit Verbrennung bei Luftüberschuss,
insbesondere in Verbindung mit Wärmemanagementmaßnahmen,
Hochleistungskabinenwärmetauschern
und gegebenenfalls auch heizleistungsorientierten Maßnahmen
an der Motorsteuerung, in manchen Fällen den entscheidenden Beitrag,
dass teure Zuheizmaßnahmen
entfallen können.
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Dies
ist bei heutigen Dieselfahrzeugen sehr wichtig für die Kostensenkung, was beim
Dieselfahrzeug an der weiten Verbreitung von teuren Zuheizern unmittelbar ersichtlich
ist. Aber gerade auch bei zukünftigen
Fahrzeugen mit Ottomotoren, welche bei geschichtetem Betrieb ebenfalls
grenzwertig bezüglich
des Kabinenheizpotentials werden, ergeben sich ganz analoge Vorteile
zum heutigen Diesel. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise bietet hier
bei Ottomotoren den ganz besonderen Vorteil, dass gegebenenfalls
früher
vom stöchiometrischen
auf den kraftstoffsparenden geschichteten Betrieb der Verbrennung
umgeschaltet werden kann bzw. dass ohne stöchiometrischen Betrieb nicht
teure und kraftstoffverbrauchserhöhende Zuheizer analog zum heutigen Diesel
erforderlich werden.
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Dabei
ist es ein ausgesprochener Vorteil, wenn kein Bauraum mehr für Zuheizer,
insbesondere mechanische, elektrische oder kraftstoffbeheizte Zuheizer,
und die zugehörigen
Komponenten freigehalten werden muss. In den meisten Fällen kommt
bei heutigen Grosserienfahrzeugen mit Dieselmotor ein elektrischer
luftseitiger PTC-Zuheizer
zum Einsatz, so dass neben dem Zuheizer selbst auch dicke elektrische
Leistungs-Kabel sowie Schalt-Relais und Ansteuerkabel erforderlich
sind.
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Zusätzlich ist
ein erhöhter
logistischer Aufwand für
Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotoren erforderlich, da i.a. Fahrzeuge
mit Otto- und Dieselmotor angeboten werden, und somit aus Kostengründen – je nach
Motor und z.T. auch je nach Markt – Heizgeräte mit und ohne PTC-Zuheizer
verbaut werden.
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Selbst
wenn Zuheizer bei einigen Fahrzeugmarken nur in einigen lokalen
Märkten
verbaut werden, ist dieser Bauraum letztlich verloren, ganz zu schweigen
von den Kosten bei den Fahrzeugen bei denen der Zuheizer standardmäßig in der
Basisausstattung enthalten ist. Vor diesem Hintergrund ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise
hochattraktiv. Insbesondere das erfindungsgemäße Absenken des zylinderkopfseitigen Öldurchsatzes
und/oder des Öldrucks
im Hauptölkanal
liefern hier einen wichtigen, bisher nicht genutzten, Teil-Beitrag
für die
Kabinenbeheizung.
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Um
im Verlauf des Warmlaufs bzw. bei Abregeln der Heizung durch den
Fahrer oder die Klimaautomatik das volle Kraftstoffeinsparpotential
zu nutzen, ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn ein Steuerparameter
in der Motorsteuerung und/oder im Steuergerät des Heiz-/Klima-Geräts in Abhängigkeit vom
Kabinenheizpotential umschaltet, zwischen einer ersten Betriebsart
mit reduziertem Öldruck
für Heizzwecke
und einer zweiten Betriebsart mit erhöhtem Öldruck für die Verbesserung des Wärmeübergangs
ins Öl
zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung. Dabei wird die zweite Betriebsart
bevorzugt bei Annäherung
der Kühlmitteltemperatur
an einen Mindestwert gewählt
wird, der für
die Heizung ausreicht bzw. bei welchem die Reibleistung an der Zylinderlaufbahn
bereits durch die Eigenerwärmung
des Motors so hoch ist, dass ein erhöhter Wärmeeintrag ins Öl wünschenswert
ist. Dies ist i.a. spätestens
dann der Fall, wenn die Motor- bzw. die Kühlmitteltemperatur knapp unter
der Öffnungstemperatur
des Kühlerzweigs,
d.h. insbesondere knapp unter der Thermostatöffnungstemperatur, liegt.