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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem Schmierstoffkreislauf, der über eine oder mehrere Schmierstellen des Antriebsaggregats und einen Wärmetauscher verläuft. Ein solches Antriebsaggregat ist aus
DE 103 32949 A1 bekannt.
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Der Wärmetauscher dieses herkömmlichen Antriebsaggregats ist ein Getriebeölkühler, in dem ein Wärmeaustausch zwischen Getriebeöl und einem Kühlmittel stattfindet, um eine Überhitzung des Getriebeöls beim Betrieb unter hoher Last zu vermeiden.
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Die Fließ- und Schmiereigenschaften des Getriebeöls sind temperaturabhängig. Bei einem Kaltstart des Antriebsaggregats ist das Getriebeöl in der Regel zäh und schwierig an die während eines vorhergehenden Stillstands des Antriebsaggregats evtl. trocken gefallenen Schmierstellen zu verteilen. Die Zeitspanne zwischen dem Starten des Antriebsaggregats und dem Erreichen einer geeigneten Betriebstemperatur des Getriebeöls trägt daher überproportional zum Verschleiß des Antriebsaggregats bei, außerdem verursacht die in dieser Zeit eventuell unbefriedigende Schmierung einen im Vergleich zum Dauerbetrieb erhöhten Kraftstoffverbrauch.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Antriebsaggregat zu schaffen, bei dem die Phase zwischen dem Starten des Antriebsaggregats und dem Erreichen einer brauchbaren Betriebstemperatur des Schmierstoffes verkürzt ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem Schmierstoffkreislauf, der über eine oder mehrere Schmierstellen des Antriebsaggregats und einen Wärmetauscher verläuft, ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine über den Wärmetauscher geführt ist. Dieses Abgas hat bereits kurze Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine eine hohe Temperatur, die es erlaubt, den noch kalten Schmierstoff über den Wärmetauscher aufzuheizen. So gelangt dieser schnell auf eine Betriebstemperatur, die eine befriedigende Schmierung gewährleistet.
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Um die Menge des benötigten Schmierstoffs gegenüber einem herkömmlichen Antriebsaggregat ohne Wärmetauscher möglichst wenig zu erhöhen, und um eine schnelle Erwärmung des in dem Antriebsaggregat zirkulierenden Schmierstoffs zu gewährleisten, sollten Leitungen, die den Wärmetauscher in den Schmierstoffkreislauf einbinden, möglichst kurz sein, d. h. der Wärmetauscher sollte möglichst nah an den Schmierstellen des Antriebsaggregats und auf jeden Fall im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Wenigstens eine der Schmierstellen kann in der Brennkraftmaschine selber enthalten sein. In diesem Fall ist auch der Wärmetauscher zweckmäßigerweise an der Brennkraftmaschine montiert.
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Alternativ kann auch wenigstens eine der Schmierstellen in einem der von der Brennkraftmaschine angetriebenen Getriebe wie etwa einem manuell oder automatisch geschalteten Stufengetriebe enthalten sein. Dann sollte der Wärmetauscher zweckmäßigerweise an dem Getriebe montiert sein.
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Der Wärmetauscher kann ein eigenständiges Bauteil mit Anschlüssen für den Zu und Abfluss des Abgases bzw. des Schmierstoffs sein. Alternativ kann der Wärmetauscher aber auch unmittelbar in die Brennkraftmaschine oder das Getriebe integriert sein, insbesondere, indem der Wärmetauscher eine Wand zwischen einem abgasdurchströmten Kanal und einem Schmierstoffsumpf der Brennkraftmaschine oder des Getriebes umfasst.
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Insbesondere wenn der Wärmetauscher ein von der Brennkraftmaschine oder dem Getriebe getrenntes, eigenständiges Bauteil ist, kann der Schmierstoffkreislauf zweckmäßigerweise eine Schmierstoffpumpe zum Antreiben der Zirkulation des Schmierstoffs zwischen der Brennkraftmaschine oder dem Getriebe einerseits und dem Wärmetauscher andererseits umfassen. Eine solche Schmierstoffpumpe kann insbesondere eine in das Getriebe integrierte Zahnradpumpe, insbesondere vom in
DE 10 2007 041 318 A1 beschriebenen Typ, oder eine Turbine des in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2010 005 821 A1 beschriebenen Typs sein.
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Ein Abgaskatalysator oder ein Partikelfilter kann an dem Abgasstrom stromaufwärts vom Wärmetauscher angeordnet sein, so dass er früher als der Wärmetauscher von dem Abgas erwärmt wird und schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Dies ist insbesondere im Falle eines Partikelfilters auch deswegen sinnvoll, weil dieser für eine Regeneration auf eine Temperatur von mehreren 100°C erhitzt wird, der der Schmierstoff im Wärmetauscher nicht ausgesetzt werden sollte.
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Um den Weg des Abgases kurz und folglich den Platzbedarf einer den Abgasstrom führenden Leitung gering zu halten, kann es aber auch zweckmäßig sein, den Wärmetauscher stromaufwärts vom Abgaskatalysator oder vom Partikelfilter anzubringen. In diesem Falle empfiehlt es sich allerdings, den Partikelfilter für seine Regeneration nicht durch Zufuhr von extrem heißem Abgas, sondern z. B. elektrisch zu beheizen.
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Um die Beheizung des Schmierstoffs über den Abgasstrom beenden zu können, wenn der Schmierstoff eine geeignete Betriebstemperatur erreicht hat, umfasst eine den Abgasstrom führende Leitung vorzugsweise einen über den Wärmetauscher laufenden Zweig, einen an dem Wärmetauscher vorbeilaufenden Zweig und ein Steuerelement zum Lenken des Abgasstroms auf einen der zwei Zweige.
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Ein solches Steuerelement kann mit einem temperaturabhängig verformbaren Element mechanisch verbunden sein, um durch dieses betätigt zu werden. Ein solches verformbares Element kann in thermischen Kontakt mit dem in dem Schmierstoffkreislauf zirkulierenden Schmierstoff oder mit dem Abgas stehen. In ersterem Fall sollte das verformbare Element eine geringe Wärmekapazität haben und der thermische Kontakt eng sein, damit sich die Temperatur des verformbaren Elements auch während des Aufheizens wenig von der des Schmierstoffs unterscheidet, und das temperaturabhängig verformbare Element kann ausgelegt sein, um den Abgasstrom am Wärmetauscher vorbeizulenken, sobald der Schmierstoff eine vorgegebene Temperatur tatsächlich erreicht hat. Im zweiten Falle ist die Zeit, die der Abgasstrom benötigt, um eine im Wesentlichen stationäre Temperatur zu erreichen, deutlich kürzer als die Zeitspanne, in der der Schmierstoff seine Betriebstemperatur erreicht; daher sollte hier das verformbare Element eine große Wärmekapazität haben und/oder von dem Abgasstrom durch eine Dämmschicht getrennt sein, um den Zeitpunkt, an dem das verformbare Element das Steuerelement betätigt, so lange hinauszuzögern, wie der Schmierstoff normalerweise zum Warmwerden braucht.
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Natürlich kommt auch eine elektrische Ansteuerung des Steuerelements, z. B. mit Hilfe eines Mikroprozessors oder der gleichen, in Betracht.
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Anstelle einer verzweigten, eine Umgehung des Wärmetauschers ermöglichenden Abgasleitung kann auch im Schmierstoffkreis ein Ventil vorgesehen sein, das es erlaubt, wahlweise den Wärmetauscher oder wenigstens eine den Wärmetauscher umgehende Leitung mit Schmierstoff zu beaufschlagen.
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In einer den Wärmetauscher umgehenden Leitung kann ein Schmierstoffkühler vorgesehen sein.
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Durch wahlweises Beaufschlagen mit Frischluft oder mit Abgas kann ein einziger Wärmetauscher auch je nach Bedarf als Heizeinrichtung zum Erwärmen des Schmierstoffs oder als Schmierstoffkühler nutzbar gemacht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines Antriebsaggregats gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 ein Blockdiagramm eines Antriebsaggregats gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
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3 einen schematischen Schnitt durch ein Kurbelwellen- oder Getriebegehäuse mit integriertem Wärmetauscher;
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4 ein Blockdiagramm eines Antriebsaggregats gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung; und.
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5 ein Blockdiagramm eines Antriebsaggregats gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 1, einem von der Brennkraftmaschine 1 über eine Kupplung 2 angetriebenen Getriebe 3 und einer Abtriebswelle 4 des Getriebes 3, die Räder des Kraftfahrzeugs über ein nicht gezeigtes Differential antreibt. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere ein Ottomotor oder ein Dieselmotor sein, der das Kraftfahrzeug allein oder als Teil eines Hybridaggregats antreibt. Im folgenden wird im Wesentlichen nur der Ottomotor betrachtet, da dessen relativ heiße Abgase für die Anwendung der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind; auf Besonderheiten bei der Anwendung auf einen Dieselmotor wird ggf. hingewiesen.
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An einer von der Brennkraftmaschine 1 ausgehenden Abgasleitung 5 sind der Reihe nach angeordnet: ein Abgaskatalysator 6 zur Verringerung von Kohlenmonoxid und Stickoxiden in dem Abgasstrom (wenn die Brennkraftmaschine ein Dieselmotor ist, wird anstelle des Abgaskatalysators 6 im Allgemeinen ein Partikelfilter vorgesehen sein), eine Gabelung 7, zwei an die Gabelung 7 anschließende, parallele Leitungsabschnitte 8, 9, von denen einer, 8, über einen Wärmetauscher 10 verläuft, eine Vereinigungsstelle 11, an der die Leitungsabschnitte 8, 9 wieder aufeinander treffen, und ein Auspufftopf 12. Eine Klappe 13, die verstellbar ist, um den Abgasstrom wahlweise über den Leitungsabschnitt 8 oder den Leitungsabschnitt 9 zu lenken, ist an der Gabelung 7 gezeigt; sie könnte aber auch an der Vereinigungsstelle 11 vorgesehen sein. Eine strichpunktierte Linie symbolisiert die Grenze des Motorraums 14 des Kraftfahrzeugs, in dem mit Ausnahme des Auspufftopfs 12 alle oben erwähnten, an der Abgasleitung 5 angeordneten Komponenten untergebracht sind.
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Die Brennkraftmaschine 1 hat in dem Fachmann vertrauter und in der Fig. daher nicht im Detail dargestellter Weise ein Kurbelwellengehäuse, dessen Bodenbereich von einem Ölsumpf eingenommen wird. Schmierstellen der Brennkraftmaschine 1 wie etwa zwischen Kolbenmänteln und Zylinderwänden oder an Gelenken der die Kolben mit der Kurbelwelle verbindenden Pleuelstangen sind durch einen Ölnebel geschmiert, der beim Eintauchen der Kurbelwelle in den Ölsumpf entsteht. Um andere Schmierstellen wie etwa die Lager der Kurbelwelle oder einer Nockenwelle zu versorgen, ist eine Ölpumpe 15 vorgesehen. Die Ölpumpe 15 kann insbesondere eine an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 gekoppelte Zahnradpumpe sein. Die Ölpumpe 15 saugt das Öl aus dem Ölsumpf 16 über den Wärmetauscher 10 an, wo es von dem hindurchströmenden Abgas erwärmt wird. Das Öl ist daher, wenn es die Ölpumpe 15 erreicht, bereits kurze Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 auf eine Temperatur vorgewärmt, bei der es dünnflüssig und leicht zu pumpen ist, Es kann daher bereits kurze Zeit nach dem Starten an den über die Ölpumpe 15 versorgten Lagern der Brennkraftmaschine 1 ein für eine wirksame Schmierung ausreichender Öldruck bereitgestellt werden.
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Der Wärmetauscher 10 kann eine weitgehend beliebige an sich bekannte Bauform haben, z. B. kann es sich um einen Lamellen- oder Drahtgitterwärmetauscher handeln, bei dem eine mäandernd geformte Rohrleitung, in der das Öl zirkuliert, durch quer zu Abschnitten der Leitung verlaufende und die Abschnitte untereinander verbindende metallische Lamellen oder Drähte versteift ist, und das heiße Abgas durch Zwischenräume zwischen den Lamellen oder Drähten zirkuliert. Denkbar ist auch eine Bauform, bei der eine Ölleitung sich in Längsrichtung des Leitungsabschnitts 8 konzentrisch in dessen Innerem erstreckt und radial von der Ölleitung abstehende Lamellen diese in dem Leitungsabschnitt 8 fixieren und gleichzeitig den Wärmeaustausch mit dem Abgas intensivieren.
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1 zeigt den Wärmetauscher 10 in unmittelbarer Nachbarschaft zur Brennkraftmaschine 1. Die Ölpumpe 15 ist der Übersichtlichkeit der Darstellung zuliebe getrennt von der Brennkraftmaschine 1 gezeigt, ist aber vorzugsweise wie der Wärmetauscher 10 unmittelbar an der Brennkraftmaschine 1 angeordnet und vorzugsweise auch an dieser befestigt, um die Leitungen 17, auf denen das Öl außerhalb der Brennkraftmaschine 1 zirkuliert, kurz und ihr Volumen sowie an ihnen auftretende Wärmeverluste gering zu halten.
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Ein direkter, enger Kontakt auch der Verzweigung 7 mit der Brennkraftmaschine 1 erlaubt es, die Klappe 13 mittels eines unmittelbar durch den Kontakt mit der Brennkraftmaschine 1 erwärmtes temperaturabhängig verformbares Element wie etwa ein Bimetallelement zu steuern.
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Wenn die Verzeigung nicht unmittelbar an der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, kann das temperaturabhängig verformbare Element auch durch thermischen Kontakt mit dem durch die Verzweigung 7 strömenden Abgas erwärmt werden, wobei in diesem Fall eine isolierende Schicht zwischen dem Abgas und dem verformbaren Element zweckmäßig ist, um dessen Erwärmung zu verzögern.
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Natürlich kommt auch eine Ansteuerung der Klappe 13 über einen von einer elektronischen Steuereinheit betätigten Aktor in Betracht. Eine herkömmliche Motorsteuereinheit kann für diese Aufgabe mit wenig Aufwand angepasst werden, da sie üblicherweise bereits mit einem Fühler zur Erfassung der Öltemperatur verbunden ist.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des Antriebsaggregats. Auch hier sind, wie mit Bezug auf
1 erläutert, an einer von der Brennkraftmaschine
1 ausgehenden Abgasleitung
5 nacheinander ein Abgaskatalysator
6, eine Gabelung
7 mit einer steuerbaren Klappe
13, zwei parallele Leitungsabschnitte
8,
9, eine Vereinigungsstelle
11 und ein Auspufftopf
12 angeordnet. Ein an dem Leitungsabschnitt
8 angebrachter Wärmetauscher
18 ist in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuse des Getriebes
3 montiert, und eine Ölpumpe
15 treibt einen Ölkreislauf an, der ausgehend von einem Ölsumpf
19 des Getriebes
3 über den Wärmetauscher
18 und die Ölpumpe
15 zu Schmierstellen des Getriebes
3, insbesondere zu den Lagern seiner Wellen, und zurück zum Ölsumpf
19 verläuft. Die Ölpumpe
15 kann eine außerhalb des Getriebes
3 angeordnete und über eine aus dem Getriebe
3 herausgeführte Welle wie etwa
4 oder die Getriebe-Antriebswelle angetriebene Zahnradpumpe sein; vorzugsweise ist sie unmittelbar in das Getriebe
3 integriert, z. B. in Form einer Zahnradpumpe des aus
DE 10 2007 041 318 A1 bekannten Typs oder einer Turbine wie in
DE 10 2010 005 821 A1 beschrieben.
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Die zweite Ausgestaltung ist insbesondere dann von Interesse, wenn das Getriebe 3 ein Automatikgetriebe oder ein Getriebe eines Hybrid-Abtriebsaggregats ist, da diese Getriebetypen bei zu niedriger Öltemperatur besonders hohe Verluste aufweisen.
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Selbstverständlich können die Ausgestaltungen der 1 und 2 miteinander kombiniert werden, insbesondere indem beide Wärmetauscher 10, 18 parallel oder in Reihe an demselben Leitungsabschnitt 8 angebracht sind.
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Um Leitungslänge und Volumen des Ölkreislaufs zu minimieren, kann es zweckmäßig sein, auch den Wärmetauscher 10 bzw. 18 selbst unmittelbar in ein Gehäuse 20 der Brennkraftmaschine 1 oder des Getriebes 3 zu integrieren, wie in 3 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Zu sehen ist ein unterer Bereich des Gehäuses 20 mit dem darin gebildeten Ölsumpf 16 bzw. 19. Eine Linie 21 bezeichnet den Ölspiegel des Ölsumpfes 16, 19 bei stillstehender Brennkraftmaschine 1. Eine Wand des Gehäuses 20 erstreckt sich kreisbogenförmig um eine Achse 22, um die im Falle des Motors 1 die Kurbelwelle oder im Falle des Getriebes 3 eine beliebige mit in den Ölsumpf 19 eintauchenden Zahnrädern besetzte Welle rotiert. Der Leitungsabschnitt 8 der Abgasleitung 5 ist in die Wand des Gehäuses 20 integriert und erstreckt sich beiderseits des Ölsumpfes 16, 19 parallel zur Achse 22. Ein Wandabschnitt 23, der den Leitungsabschnitt 8 vom Ölsumpf 16, 19 trennt, ist dünner als andere Wandabschnitte 24, 25 des Gehäuses 20, um den Wärmaustausch zwischen dem Abgas und den Ölsumpf 19 direkt durch den Wandabschnitt 23 hindurch zu begünstigen.
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Die Anordnung des Leitungsabschnitts 8 beiderseits des Ölsumpfes 19 ist einerseits platzsparend, andererseits ermöglicht sie einen Wärmeaustausch auf großer Fläche zumindest solange, wie der Ölspiegel 21 hoch ist oder das Öl im Ölsumpf kalt und zäh ist und am Wandabschnitt 23 haften bleibt. Wenn im stationären Betrieb das Öl in der Brennkraftmaschine 1 bzw. dem Getriebe 3 verteilt ist, ist der Ölspiegel 21 wesentlich niedriger, und der in dem Sumpf 16, 19 verbleibende Rest an dann warmem Öl kann überschüssige Wärme über den mittig am Boden des Gehäuses 20 angeordneten Wandabschnitt 24 abgeben.
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4 zeigt in einer zu 1 und 2 analogen Darstellung ein Antriebsaggregat gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Komponenten dieser Ausgestaltung, die bereits mit Bezug auf die vorherigen Ausgestaltungen behandelten entsprechen, tragen gleiche Bezugszeichen wie diese und werden nicht erneut erläutert. Am Ausgang des Ölsumpfs 16 ist ein Wegeventil 26 angeordnet, das durch ein temperaturabhängig verformbares Element oder ein elektronisches Motorsteuergerät gesteuert ist. Wenn die Temperatur des Öls im Ölsumpf unter einem ersten, niedrigen Grenzwert liegt, lenkt das Wegeventil 26 das Öl zu dem Wärmetauscher, der bei dieser Ausgestaltung an der unverzweigten Abgasleitung 5 angeordnet sein kann, um es im Kontakt mit dem Abgas zu erwärmen. Liegt die Öltemperatur zwischen dem ersten und einem zweiten, höheren Grenzwert, dann lenkt das Wegeventil 26 das Öl direkt zur Pumpe 15 über einen Leitungsabschnitt 27. Bei Überschreitung auch des zweiten Grenzwerts wird das Öl über einen Ölkühler 28 geleitet.
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Bei der in 5 gezeigten Abwandlung der ersten Ausgestaltung sind in dem Leitungsabschnitt 8 zwei weitere Klappen 29, 30 vorgesehen, die es erlauben, den Wärmetauscher 10 vom Abgasstrom abzusperren und ihn stattdessen einem Kühlluftstrom über eine Leitung 31 auszusetzen. So kann der Wärmetauscher 10 je nach Öltemperatur zum Erwärmen oder zum Kühlen des Öls dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kupplung
- 3
- Getriebe
- 4
- Abtriebswelle
- 5
- Abgasleitung
- 6
- Abgaskatalysator
- 7
- Gabelung
- 8
- Leitungsabschnitt
- 9
- Leitungsabschnitt
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Vereinigungsstelle
- 12
- Auspufftopf
- 13
- Klappe
- 14
- Motorraum
- 15
- Ölpumpe
- 16
- Ölsumpf
- 17
- Leitung
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Ölsumpf
- 20
- Gehäuse
- 21
- Ölspiegel
- 22
- Achse
- 23
- Wandabschnitt
- 24
- Wandabschnitt
- 25
- Wandabschnitt
- 26
- Wegeventil
- 27
- Leitungsabschnitt
- 28
- Ölkühler
- 29
- Klappe
- 30
- Klappe
- 31
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10332949 A1 [0001]
- DE 102007041318 A1 [0010, 0033]
- DE 102010005821 A1 [0010, 0033]
