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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock, der mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, und
- - einer Pumpe zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb eines Ölkreislaufs, wobei eine Saugleitung von der Ölwanne zur Pumpe führt, um die Pumpe mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl zu versorgen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erwärmung des Motoröls einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 43 25 141 A1 beschreibt einen Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Versorgungsleitung des Ölkreislaufs von der Pumpe zuerst zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine führt, durch den Zylinderkopf hindurchführt und erst dann in den Zylinderblock eintritt.
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Im „Lexikon Motorentechnik“ der Autoren van Basshuysen und Schäfer, 2. Auflage, erschienen 2006 im Vieweg und Sohn Verlag (ISBN 978-3-528-13903-2) wird auf den Seiten 872 bis 889 eine andere Reihenfolge beschrieben, gemäß der eine Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe zunächst durch den Zylinderblock hindurchführt und anschließend in den Zylinderkopf eintritt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume miteinander verbindbar bzw. verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
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Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird in der Regel zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes. Die Nockenwelle wird dabei häufig als obenliegende Nockenwelle im Zylinderkopf gelagert.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Dabei weist die obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme der Ölwanne, d.h. der unteren Kurbelgehäusehälfte, eine Flanschfläche auf. In der Regel wird zur Abdichtung der Ölwanne bzw. des Kurbelgehäuses gegenüber der Umgebung eine Dichtung in der bzw. an der Flanschfläche vorgesehen. Die Verbindung erfolgt häufig durch eine Verschraubung. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Darüber hinaus dient die Ölwanne als Wärmetauscher zur Absenkung der Öltemperatur bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine. Das in der Ölwanne befindliche Öl wird dabei durch Wärmeleitung und Konvektion mittels an der Außenseite vorbeigeführter Luftströmung gekühlt.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen, die in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Kurbelwelle wird im Bereich der Kurbelwellenzapfen, die entlang der Kurbelwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Kurbelgehäuse, d. h. den Kurbelgehäusehälften ausgebildet werden. Zwischen der Kurbelwelle und den Lagern können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.
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Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden - gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente - eine Bohrung zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Kurbelwellenzapfen bei umlaufender Kurbelwelle - ähnlich einem Gleitlager - ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
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Zur Versorgung der Lager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern vorgesehen, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt. Dabei führt die Versorgungsleitung nach dem Stand der Technik von der Pumpe durch den Zylinderblock zur Hauptölgalerie. Zur Ausbildung der sogenannten Hauptölgalerie wird häufig ein Hauptversorgungskanal vorgesehen, der entlang der Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Der Hauptversorgungskanal kann oberhalb oder unterhalb der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnet sein oder auch in die Kurbelwelle integriert werden.
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Die vorgesehene Pumpe selbst wird nach dem Stand der Technik via Saugleitung, die von der Ölwanne zur Pumpe führt, mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt und muß einen ausreichend großen Förderstrom, d. h. ein ausreichend hohes Fördervolumen, sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Versorgungssystem, insbesondere in der Hauptölgalerie, sorgen. Zur Begrenzung des Öldrucks im System wird nach dem Stand der Technik eine Bypaßleitung bzw. Kurzschlußleitung vorgesehen, die stromabwärts der Pumpe, unmittelbar hinter der Pumpe aus der Versorgungsleitung abzweigt, und stromaufwärts der Pumpe in die Saugleitung einmündet und in der ein Überdruckventil angeordnet ist, welches bei Überschreitung eines vorgebbaren Öldrucks selbsttätig öffnet.
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Gegebenenfalls ist eine dauerhafte Ölversorgung der mindestens zwei Lager nicht erforderlich. Insbesondere wenn die Ölversorgung der Lager mit einer weiteren Ölversorgung, beispielsweise via Hauptölgalerie, in Verbindung, d. h. in Wechselwirkung steht, kann eine dauerhafte Ölversorgung der Lager nachteilig hinsichtlich des Drucks im Gesamtsystem sein. Insofern kann auch eine lediglich regelmäßige, aber nicht kontinuierliche Ölversorgung der Lager vorteilhaft sein.
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Eine weitere Ölversorgung im vorstehend genannten Sinn kann beispielsweise die Ölversorgung einer Nockenwelle sein, welche in der Regel in einer zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Die bereits hinsichtlich der Kurbelwellenlagerung gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise. Auch die Nockenwellenaufnahme wird üblicherweise mit Schmieröl versorgt, wozu ein Versorgungskanal vorgesehen wird, der nach dem Stand der Technik von der Hauptölgalerie abzweigt, durch den Zylinderblock hindurchführt und bei obenliegender Nockenwelle bis in den Zylinderkopf reicht.
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Alternativ kann eine Versorgungsleitung vorgesehen werden, die von der Pumpe direkt in den Zylinderkopf führt, die Nockenwellenaufnahme mit Motoröl versorgt und dann - stromabwärts - zur Hauptölgalerie führt.
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Die Kurbelwelle und die Nockenwelle bzw. die dazugehörigen Lager, d. h. Aufnahmen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Verbraucher bezeichnet, da diese zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl verbrauchen bzw. brauchen, d. h. mit Motoröl versorgt werden müssen.
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Weitere Verbraucher können beispielsweise die Lager einer Pleuelstange oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle sein. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist aber auch eine Spitzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düsen von unten, d. h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt und somit Öl braucht, d. h. mit Öl versorgt werden muß.
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Ein hydraulisch betätigbarer Nockenwellenversteller oder andere Ventiltriebsbauteile, beispielsweise zum hydraulischen Ventilspielausgleich, haben ebenfalls einen Bedarf an Motoröl und bedürfen einer Ölversorgung.
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Kein Verbraucher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein in der Versorgungsleitung angeordneter Ölfilter oder ein gegebenenfalls vorgesehener Ölkühler. Zwar werden auch diese Komponenten des Ölkreislaufs mit Motoröl versorgt. Prinzipbedingt bringt aber ein Ölkreislauf die Verwendung dieser Komponenten mit sich, die ausschließlich Aufgaben, d. h. Funktionen haben, welche das Öl als solches betreffen, wohingegen ein Verbraucher erst den Ölkreislauf notwendig macht.
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Stromabwärts der Verbraucher, d. h. nachdem das Öl in den Verbrauchern verwendet wurde, führen sogenannte Rückführleitungen das Motoröl zurück in die Ölwanne, wodurch der Ölkreislauf geschlossen wird. Die Rückführung des Öls ist dabei schwerkraftgetrieben. Der Ölkreislauf kann grundsätzlich in einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil unterteilt werden, wobei der Hochdruckteil den Abschnitt des Ölkreislaufs umfaßt, der stromaufwärts der Verbraucher liegt, und der Niederdruckteil den Abschnitt stromabwärts der Verbraucher bezeichnet.
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Die Rückführleitungen, die durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock und damit durch thermisch hoch belastete Bauteile führen, werden vorzugsweise in Bereichen von geringerer Temperatur angeordnet oder benachbart zu einer gegebenenfalls vorgesehenen Flüssigkeitskühlung des Kopfes bzw. Blocks, um eine Überhitzung des Öls zu verhindern, welche die Eigenschaften, insbesondere die Schmierfähigkeit, des rückzuführenden Öls nachteilig beeinflussen und eine schnellere Alterung des Öls bedingen kann.
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Die Reibung in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise der Kurbelwelle, die maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls abhängt, trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.
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Aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl für die Gewinnung von Kraftstoff, ist man bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen grundsätzlich bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Neben einer verbesserten, d. h. effektiveren, Verbrennung steht dabei auch die Reduzierung der Reibleistung im Vordergrund der Bemühungen. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem auch zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erwärmung des Motoröls einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock, der mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, und
- - einer Pumpe zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb eines Ölkreislaufs, wobei eine Saugleitung von der Ölwanne zur Pumpe führt, um die Pumpe mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl zu versorgen,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - eine Bypaßleitung vorgesehen ist, die stromabwärts der Pumpe und stromaufwärts eines Verbrauchers zylinderkopfseitig aus dem Ölkreislauf abzweigt und stromaufwärts der Pumpe in die Saugleitung mündet, wobei in der Bypaßleitung ein Ventil angeordnet ist.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über eine Bypaßleitung, mit der bereits im Ölkreislauf erhitztes Öl - bei geöffnetem Ventil - am Eingang der Pumpe bereitstellt wird, d. h. zur Pumpeneingangsseite geleitet wird. Das Motoröl durchströmt vor der Rückführung mittels Bypaßleitung zumindest Teile des Ölkreislaufs, d. h. Teile des Zylinderblocks bzw. Teile des Zylinderkopfs, wodurch es eine Temperaturerhöhung erfährt. Diese Temperaturerhöhung bleibt infolge der Umgehung der Ölwanne auch bis zum erneuten Eintritt in den Ölkreislauf stromaufwärts der Pumpe erhalten, da eine Kühlung des in der Brennkraftmaschine erwärmten Öls in der Ölwanne unterbleibt bzw. entfällt. Die zur Kühlung des Öls vorgesehene und eine Temperatursenke bildende Ölwanne wird mittels Bypaßleitung umgangen.
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Während eine herkömmliche Brennkraftmaschine eine Bypaßleitung aufweist, die unmittelbar hinter der Pumpe aus der Versorgungsleitung abzweigt, führt die Versorgungsleitung erfindungsgemäß das Motoröl zunächst durch Teile der Brennkraftmaschine, bevor das Öl dann in die aus dem Ölkreislauf abzweigende Bypaßleitung eintritt und in die Saugleitung am Pumpeneingang zurückgeleitet wird.
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Dabei zweigt die Bypaßleitung erfindungsgemäß zylinderkopfseitig aus dem Ölkreislauf ab. Ausgehend von einem Ölkreislauf der einen zylinderkopfseitigen und einen zylinderblockseitigen Abschnitt umfaßt, d. h. das Motoröl sowohl durch den Kopf als auch durch den Block der Brennkraftmaschine leitet, bedeutet „zylinderkopfseitig“, dass die Bypaßleitung von dem Teil des Ölkreislaufs abzweigt, der im Zylinderkopf integriert ist bzw. als zu diesem Teil zugehörig anzusehen ist. Es handelt sich insbesondere dann um eine zylinderkopfseitige Abzweigung, wenn die Bypaßleitung innerhalb des Kopfes vom Ölkreislauf abzweigt.
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Als zum zylinderkopfseitigen Ölkreislauf zugehörig gelten im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Abschnitte des Ölkreislaufs, die auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite der Montagefläche liegen, wobei die Montagefläche die Fläche ist, an der der Zylinderblock und der Zylinderkopf miteinander verbunden sind.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass der Zylinderkopf thermisch hoch belastet ist, insbesondere im Vergleich zu dem Zylinderblock thermisch höher belastet ist, so dass die Erwärmung des Öls, d. h. der Anstieg der Öltemperatur beim Durchströmen des Zylinderkopfes deutlicher ausfällt als bei einem Durchströmen des Zylinderblocks. Das Vorsehen der Abzweigung im Zylinderkopf hat daher auch gegenüber einer Abzweigung im Zylinderblock, bei der die Bypaßleitung beispielsweise von der Hauptölgalerie abgeht, Vorteile.
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Nach einem Kaltstart erwärmt sich der Zylinderkopf infolge der ablaufenden Verbrennungsprozesse vergleichsweise schnell, insbesondere im Vergleich zum Zylinderblock. Auch insofern erweist sich die Anordnung der Abzweigung der Bypaßleitung im zylinderkopfseitigen Teil des Ölkreislaufs als überaus vorteilhaft.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäß ausgebildeten Bypaßleitung ist, dass die Leitung stromaufwärts eines Verbrauchers aus dem Ölkreislauf abzweigt und damit aus dem Hochdruckteil des Ölkreislaufs. Folglich ist die Förderung des Öls durch die Bypaßleitung druckgetrieben und nicht schwerkraftgetrieben wie beispielsweise bei einer Rückführleitung, die das Motoröl zurück in die Ölwanne leitet, nachdem es die Verbraucher durchströmt hat. Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Bypaßleitung zweigt die Rückführleitung aber stromabwärts der Verbraucher aus dem Ölkreislauf ab.
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Die erfindungsgemäße Bypaßleitung stellt am Pumpeneingang bereits vorerwärmtes Öl zur Verfügung. Dadurch werden eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, sichergestellt. Die vergleichsweise schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
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Eine möglichst schnelle Erwärmung des Öls nach einem Kaltstart verringert nicht nur die Reibleistung. Vielmehr erreicht auch die Brennkraftmaschine als solche schneller ihre Betriebstemperatur. Dadurch werden zum einen die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen reduziert und zum anderen gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme zügiger erhitzt, was hinsichtlich einer erforderlichen Mindesttemperatur für die Nachbehandlung vorteilhaft ist.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gegenüber Konzepten, bei denen das Öl mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt wird, besteht in dem vergleichsweise einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Ölerwärmung und den geringen Kosten. Es sind grundsätzlich keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, insbesondere keine externe Heizvorrichtung, die in einer Gesamtbilanz im Hinblick auf den Kraftstoffeinsatz als zusätzlicher Verbraucher auftreten würde. Dies würde auch einer Lösung der hier zugrunde liegenden Aufgabe zu wider laufen, nämlich den Kraftstoffverbrauch durch Reduzierung der Reibleistung zu mindern.
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Ausgehend vom Stand der Technik kann es zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bereits genügen, die Abzweigung der Bypaßleitung zu verlegen, d.h. die Bypaßleitung innerhalb des Zylinderkopfes und nicht unmittelbar hinter der Pumpe aus dem Ölkreislauf abzweigen zu lassen.
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Mit Hinblick auf Konzepte, bei denen im Betrieb erwärmtes Motoröl in einem isolierten Behältnis gespeichert und bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine zur Schmierung der Lager genutzt wird, muß berücksichtigt werden, dass das im Betrieb erwärmte Öl zeitlich nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur gehalten werden kann, weshalb ein Erwärmen des Öls in der Regel während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgen muß.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe zunächst durch den Zylinderblock hindurchführt bevor diese Versorgungsleitung in den Zylinderkopf eintritt.
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Die Strömungsrichtung des Öls ist vorliegend diejenige, die bei Brennkraftmaschinen gegenwärtig am häufigsten angewendet, d. h. realisiert wird. Nach dem Stand der Technik wird das Öl nämlich stromabwärts der Pumpe häufig zunächst zur Hauptölgalerie geführt, um die Lager der Kurbelwelle mit Öl zu versorgen, bevor es zum Zylinderkopf strömt.
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Das Öl wird beim Passieren des Zylinderblocks erwärmt, weshalb der stromabwärts gelegene zylinderkopfseitige Teil des Ölkreislaufs vorliegend mit bereits im Zylinderblock vorerwärmten Öl versorgt wird, welches im Kopf weiter erwärmt und schließlich via Bypaßleitung an die Pumpeneingangsseite geführt wird.
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Nach einem Stillstand des Fahrzeuges, d. h. bei einem Neustart der Brennkraftmaschine durchströmt das Öl zunächst den Zylinderblock, wo es vorgewärmt wird. Das vorgewärmte Öl wird anschließend im Zylinderkopf, der infolge der ablaufenden Verbrennungsprozesse schneller hohe Temperaturen erreicht, weiter erwärmt. Die Erwärmung des Öls, d. h. der Anstieg der Öltemperatur fällt deutlicher aus als beim ausschließlichen Durchströmen des Zylinderblocks, was der Fall wäre, wenn die Bypaßleitung beispielsweise von der Hauptölgalerie abzweigen würde.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe zunächst durch den Zylinderkopf hindurchführt bevor diese Versorgungsleitung in den Zylinderblock eintritt.
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Unter bestimmten Randbedingungen kann es für eine möglichst schnelle Erwärmung des Öls vorteilhaft sein, wenn die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs zunächst den Zylinderkopf durchquert, d. h. der Ölkreislauf in dieser Weise ausgelegt ist. Insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen unterstützt der Umstand, dass sich der Zylinderkopf infolge der in den Zylindern ablaufenden Verbrennungsprozesse schneller erwärmt, eine zügige Erwärmung des Öls. Dieser Effekt ist noch deutlicher spürbar, wenn weitere optionale technische Merkmale verwirklicht sind, beispielsweise die Integration des Krümmers in den Zylinderkopf. Derartige und weitere Ausführungsformen, welche die Erwärmung im Zylinderkopf unterstützen bzw. beeinflussen, werden im Folgenden noch erläutert, neben anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden.
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Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb die vorstehend genannte Ausführungsform, bei der in dem mindestens einen Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens ein Kühlmittelmantel integriert wird, vorteilhaft ist.
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Die Flüssigkeitskühlung, d. h. die Ausbildung eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel, d h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung entlang eines durch den mindestens einen Zylinderkopf hindurchführenden Teilstücks mindestens zwei Teilversorgungsleitungen umfaßt.
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Bei dieser Ausführungsform gabelt sich die Versorgungsleitung in mindestens zwei Teilversorgungsleitungen, d. h. fächert sich in mehrere Teilversorgungsleitungen auf. Dies vergrößert die Gesamtoberfläche der Versorgungsleitung entlang eines durch den mindestens einen Zylinderkopf hindurchführenden Teilstücks, wodurch der Wärmeübergang zwischen dem Zylinderkopf und dem in der Versorgungsleitung befindlichen Motoröl unterstützt, d. h. erhöht wird. Damit ist die Versorgungsleitung im Zylinderkopf zumindest abschnittweise hinsichtlich ihrer Funktion als Wärmetauscher optimiert.
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Der Wärmeübergang zwischen dem Zylinderkopf und dem in der Versorgungsleitung befindlichem Motoröl kann dabei sowohl den Wärmeintrag des heißen Abgasstroms in das Motoröl betreffen als auch - bei flüssigkeitsgekühlten Zylinderköpfen - den Wärmeeintrag bzw. Wärmeentzug des Kühlmittels in das bzw. aus dem Motoröl.
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Die Versorgungsleitung kann sich dabei im Zylinderkopf in zwei oder mehrere Teilversorgungsleitungen aufspalten, aber auch außerhalb, d. h. stromaufwärts des Zylinderkopfes. Ebenso kann das Zusammenfuhren der einzelnen Teilversorgungsleitungen zu einer gemeinsamen Versorgungsleitung im Zylinderkopf oder stromabwärts des Zylinderkopfes erfolgen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Teilversorgungsleitungen zumindest streckenweise parallel zueinander verlaufen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich der in dem mindestens einen Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel zumindest teilweise auch zwischen den mindestens zwei Teilversorgungsleitungen erstreckt.
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Gemäß dieser Ausführungsform erstreckt sich der Kühlmittelmantel auch zwischen den mindestens zwei Teilversorgungsleitungen. Dies schließt insbesondere Ausführungsformen ein, bei denen der Kühlmittelmantel eine gedachte um die mindestens zwei Teilversorgungsleitungen gelegte Einhüllende, d. h. Umhüllende durchtritt, d. h. schneidet.
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Der Kühlmittelmantel bzw. das durch die Kühlkanäle hindurchgeführte Kühlmittel wirkt einer Überhitzung und damit einer vorzeitigen Alterung des Motoröls entgegen und verhindert eine Verkokung des Öls sowie die Bildung von Ablagerungen in der Versorgungsleitung, welche den Strömungsquerschnitt vermindern würden oder zu einem Verschluß der Leitung führen können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder umfaßt, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Ein im Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer hat mehrere Vorteile, auf die im Folgenden kurz eingegangen wird.
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Stromabwärts eines Krümmers werden die Abgase häufig der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt. Dabei ist man zum einen bemüht, den bzw. die Abgasturbolader möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Aus den zuvor genannten Gründen ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasturbolader bzw. Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
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Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, werden die Abgasleitungen vorzugsweise innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt. Diese Maßnahme gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Ausführungsformen des Zylinderkopfes mit beispielsweise vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei denen die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden, können auch zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art verwendet werden. Gleiches gilt für Zylinderköpfe mit drei oder mehr Zylindern, bei denen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer ist thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung, weshalb insbesondere bei einem Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer eine Flüssigkeitskühlung vorteilhaft ist.
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Im Hinblick auf die vorliegend zu lösende Aufgabe trägt die Integration des Krümmers dazu bei, die Reibleistung der Brennkraftmaschine weiter zu reduzieren. Denn insbesondere in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine erreicht ein Zylinderkopf mit integriertem Krümmer schneller höhere Temperaturen als ein konventioneller Zylinderkopf mit einem externen Krümmer.
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Folglich ist es vorteilhaft, den Krümmer in den Zylinderkopf zu integrieren, um das durch den Zylinderkopf hindurchgeführte Motoröl nach einem Kaltstart möglichst schnell zu erwärmen.
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Eine Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes dient vorteilhafterweise zur Begrenzung der Temperaturanhebung des Öls nach oben und kann die Erwärmung des Öls in der Warmlaufphase gegebenenfalls unterstützen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen stromabwärts der Pumpe und stromaufwärts des ersten im Ölkreislauf vorgesehenen Verbrauchers bzw. Aggregats ein Filter in der Versorgungsleitung vorgesehen ist. Der Filter hält Partikel zurück, die beispielsweise vom Abrieb sich bewegender Teile herrühren können und die die Funktionstüchtigkeit der im Ölkreislauf angeordneten Verbraucher und Aggregate gefährden können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen ein Ölkühler in der Versorgungsleitung vorgesehen ist, vorzugsweise stromabwärts der Pumpe und stromaufwärts des ersten im Ölkreislauf vorgesehenen Verbrauchers.
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Wie bereits eingangs ausgeführt, wird das Öl mittels Luftkühlung in der Ölwanne gekühlt, die zur Verbesserung des Wärmeabtransports vorzugsweise mit Kühlrippen auszustatten ist, wodurch die Oberfläche vergrößert wird. Der Wärmeabtransport erfolgt primär durch Konvektion mittels des an der Wanne vorbeigeführten Luftstroms infolge der Fahrtbewegung des Fahrzeuges. Gegebenenfalls wird der Wärmeübergang infolge Konvektion durch einen Lüfter unterstützt. Die Auswahl des zur Herstellung der Ölwanne verwendeten Werkstoffes kann im Hinblick auf einen verbesserten Wärmeabtransport erfolgen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Ölkreislauf mit einem Ölkühler ausgestattet. Mittels Ölkühler können dem Öl größere Wärmemengen entzogen werden, wobei der Ölkühler als solcher dem Öl die Wärme wiederum mittels Luftkühlung oder mittels Flüssigkeitskühlung entzieht.
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Letzteres wird vorzugsweise unter Verwendung eines kühlmittelbetriebenen Ölkühlers realisiert, der dem Öl Wärme unter Verwendung des Kühlmittels der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine entzieht und damit ein Beispiel für einen flüssigkeitsgekühlten Ölkühler darstellt.
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Nach dem Stand der Technik wird zur Versorgung des Ölkühlers Kühlmittel vom Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine abgezweigt und dem Ölkühler zugeführt, wo es die Temperatur des den Ölkühler durchströmenden Öls absenkt bzw. in Grenzen hält, indem es dem Öl Wärme entzieht.
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Naturgemäß steht eine Kühlung des Motoröls in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine dem Ziel einer Reduzierung der Reibleistung durch eine möglichst schnelle Erwärmung des Öls entgegen, weshalb der Ölkühler nur im Bedarfsfall und in der Regel nicht während der Warmlaufphase aktiviert werden sollte. Im Einzelfall jedoch, wenn sich das Kühlmittel während der Warmlaufphase schneller erwärmt als das Motoröl, kann es sinnvoll sein, den Ölkühler entgegen seiner eigentlichen Funktion zum Erwärmen des Öls einzusetzen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Versorgungsleitung zur Versorgung mit Motoröl mit einer Nockenwellenaufnahme in Verbindung steht, vorzugsweise mit einer am Zylinderkopf angeordneten Aufnahme für eine obenliegende Nockenwelle. Ausgehend von einer derartigen Ausführungsform zweigt die Bypaßleitung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stromaufwärts eines Lagers der Nockenwellenaufnahme aus dem Ölkreislauf ab.
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Für den Ladungswechsel werden als Steuerorgane in der Regel Ventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind, um Einlaß- oder Auslaßöffnungen freizugeben bzw. zu versperren. Zur Betätigung eines Ventils werden einerseits Ventilfedermittel vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits eine Ventilbetätigungseinrichtung eingesetzt, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen.
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Die Ventilbetätigungseinrichtung- umfaßt in der Regel eine Nockenwelle, auf der eine Vielzahl von Nocken angeordnet ist und die - beispielsweise mittels eines Kettenantriebes - von der Kurbelwelle in der Art in Drehung versetzt wird.
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Häufig werden obenliegende Nockenwellen eingesetzt, d. h. Nockenwellen, die oberhalb der Montagefläche zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock angeordnet und im Zylinderkopf gelagert sind.
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Obenliegende Nockenwellen werden häufig in zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahmen gelagert. Hierzu verfügt die Nockenwelle über mindestens zwei Lagerstellen, die in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind. Die Nockenwellenaufnahme umfaßt einen unteren Teil und einen oberen Teil, in denen die Lagersättel bzw. Lagerdeckel angeordnet sind. Die Nockenwelle wird mit ihren Lagerstellen in den Lagersätteln und Lagerdeckeln aufgenommen und gelagert. Die Lager werden dabei mit Motoröl versorgt, so dass sich bei umlaufender Nockenwelle - ähnlich einem Gleitlager - ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
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Zur Versorgung der Nockenwellenlager mit Öl steht gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform die Versorgungsleitung mit der Nockenwellenaufnahme in Verbindung. Die Versorgung der Nockenwellenlager via Versorgungsleitung mit erwärmtem Motoröl verringert die Reibung in den Lagern der Nockenwelle und reduziert die Reibleistung der Brennkraftmaschine. Dies gilt sowohl für die Nockenwelle der Einlaßventile, d. h. der Einlaßseite als auch für die Nockenwelle der Auslaßventile, d. h. der Auslaßseite.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das in der Bypaßleitung angeordnete Ventil, im Folgenden auch als Bypaßventil bezeichnet, ein steuerbares Ventil ist. Bei mit einer Motorsteuerung ausgestatteten Brennkraftmaschinen, sind Ausfiihrungsformen vorteilhaft, bei denen das in der Bypaßleitung angeordnete Bypaßventil ein mittels Motorsteuerung steuerbares Ventil ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Bypaßventil elektrisch steuerbar ist. Grundsätzlich kann das Bypaßventil aber auch hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar bzw. betätigbar sein. Ein spezielles Beispiel für ein hydraulisch gesteuertes bzw. betätigtes Ventil ist ein Überdruckventil, welches bei Überschreiten eines bestimmten Öldrucks öffnet und damit gewissermaßen mediumgesteuert, nämlich öldruckgesteuert ist.
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Ein mittels Motorsteuerung steuerbares Bypaßventil gestattet es, Motoröl via Bypaßleitung an den Pumpeneingang zurückzuführen und dies bei Drücken (pgrenz,bypaß), die deutlich niedriger sind, als die Öldrücke (pgrenz,kurz), welche erforderlich sind, um das Überdruckventil in einer Kurzschlußleitung zu öffnen. Letztere können beispielsweise einen Wert von 4 bar annehmen.
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Die Bypaßleitung kann bei einem beliebig vorgebbaren Öldruck, beispielsweise 2 bar, durch Öffnen des Ventils für das Motoröl freigegeben und Öl bei Umgehung der Ölwanne an den Pumpeneingang zurückgeführt werden, soweit der Betrieb der Brennkraftmaschine dies zuläßt. Bei niedrigen Drehzahlen, niedrigen Lasten und/oder niedrigen Öltemperaturen ist die Rückführung von Motoröl via Bypaßleitung in der Regel unkritisch. Die Betriebspunkte, in denen eine Ölrückführung via Bypaßleitung gewünscht wird, d. h. das Bypaßventil geöffnet wird, können in einem Kennfeld der Motorsteuerung hinterlegt werden. Ein derartiges Kennfeld eröffnet zudem die Möglichkeit, für verschiedene Betriebspunkte unterschiedliche Druckgrenzen für das Öffnen des Ventils vorzugeben, d. h. einen betriebspunktspezifischen Druck, bei dem das Ventil öffnet, festzulegen. Alternativ kann eine Druckgrenze vorgegeben werden, bei der das Bypaßventil unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine geöffnet wird.
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Auf diese Weise kann der Öldurchsatz im Ölkreislauf der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart deutlich erhöht werden. In der Warmlaufphase wird das Ventil geöffnet und Öl an der Ölwanne vorbei zum Pumpeneingang geführt. Mit dem erhöhten Durchsatz steigt auch die Durchflußgeschwindigkeit des Öls, was den Wärmeübergang infolge Konvektion erhöht, d. h. das Motoröl wird schneller durch die sich aufwärmenden Bauteile der Brennkraftmaschine, insbesondere den Zylinderkopf und den Zylinderblock, erhitzt. Je schneller das Öl erwärmt wird desto schneller nimmt die Viskosität des Öls ab und desto schneller vermindert sich die Reibleistung. Insofern wird durch ein gezielt gesteuertes Öffnen des Ventils in vorteilhafter Weise Einfluß genommen werden auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine.
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Das Öffnen des in der Bypaßleitung angeordneten Ventils, bei vergleichsweise niedrigen Drücken, führt zudem zu einer Verminderung der erforderlichen Pumpenleistung, was den Kraftstoffverbrauch mindert, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Zu berücksichtigen ist dabei, dass ein Teil der mittels Verbrennung in der Brennkraftmaschine generierten Energie zum Antrieb der Ölpumpe verwendet wird.
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Vorteilhaft ist es insbesondere, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zusätzlich mit einer Kurzschlußleitung der herkömmlichen Art auszustatten. Während die erfindungsgemäße Bypaßleitung dann genutzt wird, um während der Warmlaufphase Öl bei niedrigeren Drücken zurück zur Saugseite der Pumpe zu leiten, dient die Kurzschlußleitung, welche selbsttätig bei höheren Drücken öffnet, der Öldruckbegrenzung im Kreislauf bei geschlossenem Bypaßventil nach abgeschlossener Warmlaufphase.
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Vorteilhaft sind aus diesem Grunde auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Kurzschlußleitung vorgesehen ist, die stromabwärts der Pumpe aus der Versorgungsleitung abzweigt und stromaufwärts der Pumpe in die Saugleitung einmündet und in der ein Überdruckventil angeordnet ist. Das Überdruckventil ist ein selbsttätig öffnendes Rückschlagventil, ein 2-2-Wege Ventil mit zwei Zuleitungen bzw. Anschlüssen und zwei Schaltpositionen, d.h. entweder geöffnet oder geschlossen.
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Die Kurzschlußleitung dient zusammen mit dem Überdruckventil der Begrenzung des Öldrucks im Ölkreislauf und ist vergleichbar bzw. identisch mit der aus dem Stand der Technik bekannten Kurzschlußleitung, die unmittelbar hinter, d. h. stromabwärts der Pumpe aus der Versorgungsleitung abzweigt. Das Überdruckventil öffnet selbsttätig bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks, beispielsweise 4 bar.
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Dass die in Rede stehende Kurzschlußleitung zur Begrenzung des Öldrucks bevorzugt unmittelbar hinter der Pumpe abzweigt, ist in Zusammenhang mit der dieser Leitung zugewiesenen Aufgabe zu sehen. Dadurch kann nämlich der Öldruck am Pumpenausgang, bei dem das Überdruckventil öffnet, ausreichend genau eingestellt werden. Hingegen wäre bei einer weiter stromabwärts gelegenen Abzweigung der Kurzschlußleitung eine näherungsweise Bestimmung, d. h. Schätzung des Druckverlustes vom Pumpenausgang bis hin zur Abzweigung aus der Versorgungsleitung vorzunehmen, um den Öldruck am Pumpenausgang auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, was zu einer Unschärfe führt. Erschwert werden würde dies insbesondere durch einen dazwischen angeordneten Filter, da dessen Durchflußverhalten sich stark in Abhängigkeit von der Öltemperatur ändert, so dass der Druckverlust über den Filter ebenfalls stark variiert.
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Grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang nachteilig, zwischen dem Pumpenausgang und der Abzweigung der Kurzschlußleitung ein Aggregat anzuordnen. Die vorstehend beschriebene Problematik trifft auch auf andere Aggregate zu, beispielsweise einen Ölkühler, wenngleich das Vorsehen eines Filters besonders nachteilig ist im Hinblick auf eine exakte Überdruckregelung bei weit stromabwärts gelegener Kurzschlußleitung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das in der Bypaßleitung angeordnete Ventil ein selbsttätig öffnendes Rückschlagventil ist. Das Rückschlagventil ist wie das bereits beschriebene Überdruckventil der Kurzschlußleitung ein 2-2-Wege Ventil mit zwei Anschlüssen und zwei Schaltpositionen.
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Die Bypaßleitung kann vorliegend die Aufgaben einer Kurzschlußleitung übernehmen, d. h. zusammen mit dem als Überdruckventil dienenden Bypaßventil den Öldruck im Ölkreislauf begrenzen, wobei das Bypaßventil bei Überschreiten eines bestimmten vorgebbaren Öldrucks selbsttätig öffnet. Auf eine Kurzschlußleitung der herkömmlichen Art kann dabei grundsätzlich verzichtet werden, was vorzugsweise aber nicht getan werden sollte. Die Gründe sind die Folgenden.
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Wie bereits ausgeführt wurde, hat es Nachteile die erfindungsgemäße Bypaßleitung als Substitut für eine herkömmliche Kurzschlußleitung zu verwenden, da die Abzweigung der Bypaßleitung aus dem zylinderkopfseitigen Ölkreislauf weit stromabwärts des Pumpenausgangs liegt, d. h. weit beabstandet zur Pumpe angeordnet ist, und es im Hinblick auf eine Druckbegrenzung somit erforderlich ist, den Druckverlust zwischen Pumpenausgang und Abzweigung näherungsweise zu bestimmen, d. h. eine grobe Schätzung vorzunehmen.
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Insofern sollte neben der erfindungsgemäßen Bypaßleitung zusätzlich eine Kurzschlußleitung zur Begrenzung des Öldrucks im Ölkreislauf vorgesehen werden, wie oben bereits ausgeführt wurde.
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In Zusammenhang mit der in Rede stehenden Ausführungsform ist es vorteilhaft, stromaufwärts des selbsttätig öffnenden Rückschlagventils ein zweites Ventil in der Bypaßleitung anzuordnen.
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Als zweites Ventil kann ein steuerbares Ventil eingesetzt werden, vorzugsweise ein mittels Motorsteuerung elektrisch steuerbares Ventil, welches in der Warmlaufphase geöffnet und nach Beendigung des Warmlaufens wieder geschlossen wird. Während der Öffnungsdauer des zweiten Ventils kann das in der Bypaßleitung stromabwärts vorgesehene Überdruckventil, d.h. das Rückschlagventil dann in Abhängigkeit vom momentan vorliegenden Öldruck selbsttätig öffnen und schließen. Eine komplexe kontinuierlich andauernde Steuerung eines Ventils entfällt. Das zweite Ventil hat vorliegend die Funktion eines Schalters, der die Nutzung der Bypaßleitung freigibt oder aber sperrt.
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Ist das zweite Ventil geöffnet, kann grundsätzlich über die Funktion der Bypaßleitung verfügt werden. Ist das zweite Ventil hingegen geschlossen, ist die Bypaßleitung deaktiviert.
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Als zweites Ventil kann auch ein selbsttätig steuerndes Ventil eingesetzt werden, beispielsweise ein Ventil, das durch die Temperatur des Öls gesteuert wird, und zwar in der Weise, dass das Ventil bei niedrigen Öltemperaturen geöffnet ist und bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur selbsttätig schließt.
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Wird ein zweites Ventil - wie vorstehend beschrieben - vorgesehen, kann während der Warmlaufphase bei niedrigen Drücken via Bypaßleitung Öl zurück zur Saugseite der Pumpe geleitet werden, um die Erwärmung des Öls nach einem Kaltstart zu beschleunigen. Eine zusätzlich vorgesehene Kurzschlußleitung, welche selbsttätig bei höheren Drücken öffnet, dient dann nach der Warmlaufphase, wenn die Bypaßleitung geschlossen bzw. deaktiviert ist, der Begrenzung des Öldrucks.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Erwärmung des Motoröls einer Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das in der Bypaßleitung angeordnete Ventil geöffnet wird, um das Motoröl zu erwärmen.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren. Es wird daher Bezug genommen auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und der unterschiedlichen Ausfiihrungsformen.
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Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen das in der Bypaßleitung angeordnete Ventil in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um eine Kühlung des Motoröls in der Ölwanne nach einem Kaltstart zu unterbinden. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine möglichst schnell auf Betriebstemperatur erwärmt werden.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen in der Bypaßleitung ein selbsttätig öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist und stromaufwärts dieses Ventil ein zweites mittels Motorsteuerung steuerbares Ventil, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen das zweite in der Bypaßleitung angeordnete Ventil geöffnet wird, um die Bypaßleitung zu aktivieren.
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Das Öffnen des zweiten Ventils ermöglicht erst die Nutzung der Bypaßleitung. Das Rückschlagventil wird bei geöffnetem zweiten Ventil mit Öl beaufschlagt und öffnet bei Überschreiten eines vorher eingestellten Öldrucks. Ist das zweite Ventil hingegen verschlossen, ist die Bypaßleitung deaktiviert und es wird - unabhängig von dem im Ölkreislauf vorherrschenden Öldruck - kein Öl via Bypaßleitung an den Pumpeneingang zurückgeleitet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine gemäß Figur 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch den Ölkreislauf einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch den Ölkreislauf 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Der Ölkreislauf 1 umfaßt einen zylinderkopfseitigen Ölkreislauf 1a, einen zylinderblockseitigen Ölkreislauf 1b und eine Ölwanne 1c zum Sammeln und Bevorraten des Motoröls.
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Zur Förderung des Motoröls durch den Ölkreislauf 1 ist eine Pumpe 2 vorgesehen, wobei eine Saugleitung 3 von der Ölwanne 1c zur Pumpe 2 führt, um die Pumpe 2 mit aus der Ölwanne 1c stammendem Motoröl zu versorgen.
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Die Pumpe 2 fördert das Öl via Versorgungsleitung 4 zu den im Ölkreislauf 1 vorgesehenen Verbrauchern 5. Dabei durchströmt das Öl zunächst einen stromabwärts der Pumpe 2 angeordneten Filter 6 sowie einen stromabwärts des Filters 6 angeordneten kühlmittelbetriebenen Ölkühler 7, der während der Warmlaufphase in der Regel deaktiviert ist.
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Stromabwärts des Ölkühlers 7 tritt die Versorgungsleitung 4 in die Hauptölgalerie 8 ein, von der Kanäle 8a zu den Lagern 9a der Pleuelstangen 9 fuhren, um diese mit Öl zu versorgen.
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Von der im Zylinderblock angeordneten Hauptölgalerie 8 führt die Versorgungsleitung 4 zum zylinderkopfseitigen Ölkreislauf 1a, um die Lager 10a, 11a zweier Nockenwellenaufnahmen 10, 11 mit Öl zu versorgen, und zu weiteren Verbrauchern 5.
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Von einer der beiden Nockenwellenaufnahmen 11 zweigt eine Bypaßleitung 12 ab, die stromaufwärts der Pumpe 2 - zwischen Pumpe 2 und Ölwanne 1c - in die Saugleitung 3 mündet.
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Die Bypaßleitung 12 zweigt damit stromabwärts der Pumpe 2 und stromaufwärts eines Verbrauchers 5 - vorliegend einem Nockenwellenlager 11a - zylinderkopfseitig aus dem Ölkreislauf 1 ab, d. h. aus dem Hochdruckteil des Ölkreislaufs 1. Das Öl wird aufgrund des Öldrucks durch die Bypaßleitung 12 gefördert und nicht wie bei den Rückführleitungen 13, die das Motoröl schwerkraftgetrieben zurück in die Ölwanne 1c führen, nachdem es die Verbraucher 5 durchströmt hat.
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In der Bypaßleitung 12 ist ein Ventil 14, vorliegend ein selbsttätig öffnendes Rückschlagventil 15, angeordnet. Stromaufwärts dieses Rückschlagventils 15 ist ein zweites Ventil 16 in der Bypaßleitung 12 angeordnet, welches ein mittels Motorsteuerung 17 elektrisch steuerbares Ventil 18 ist.
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Das zweite Ventil 16 hat eine Schalterfunktion. Ist das zweite Ventil 16 geöffnet, kann grundsätzlich über die Funktion der Bypaßleitung 12 verfügt werden. Durch Schließen des zweiten Ventils 16 wird die Bypaßleitung 12 deaktiviert.
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Das zweite Ventil 16 wird vorzugsweise während der Warmlaufphase geöffnet und nach Beendigung des Warmlaufens wieder geschlossen. Während der Öffnungsdauer des zweiten Ventils 16 kann das stromabwärts in der Bypaßleitung 12 vorgesehene Überdruckventil 14, d.h. das Rückschlagventil 15 in Abhängigkeit vom momentan vorliegenden Öldruck selbsttätig öffnen und schließen. Eine kontinuierliche Steuerung dieses Ventils 14 ist dann nicht erforderlich.
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Zusätzlich zu der Bypaßleitung 12 verfügt der Ölkreislauf 1 über eine Kurzschlußleitung 19 zur Begrenzung des Öldrucks im Ölkreislauf 1, die stromabwärts der Pumpe 2, unmittelbar hinter der Pumpe 2, aus der Versorgungsleitung 4 abzweigt und stromaufwärts der Pumpe 2 in die Saugleitung 3 einmündet. In der Kurzschlußleitung 19 ist ein Überdruckventil 20 angeordnet, das bei Überschreitung eines vorgebbaren Öldrucks selbsttätig öffnet und auf diese Weise den Öldruck im System begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölkreislauf
- 1a
- zylinderkopfseitiger Ölkreislauf
- 1b
- zylinderblockseitiger Ölkreislauf
- 1c
- Ölwanne
- 2
- Pumpe
- 3
- Saugleitung
- 4
- Versorgungsleitung
- 5
- Verbraucher
- 6
- Filter
- 7
- Ölkühler
- 8
- Hauptölgalerie
- 8a
- Kanäle
- 9
- Pleuelstange
- 9a
- kurbelwellenseitiges Lager einer Pleuelstange
- 10
- Nockenwellenaufnahme
- 10a
- Lager der Nockenwellenaufnahme
- 11
- Nockenwellenaufnahme
- 11a
- Lager der Nockenwellenaufnahme
- 12
- Bypaßleitung
- 13
- Rückführleitung
- 14
- Ventil
- 15
- Rückschlagventil
- 16
- Ventil
- 17
- Motorsteuerung
- 18
- elektrisch steuerbares Ventil
- 19
- Kurzschlußleitung
- 20
- Überdruckventil
