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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Schmiermittelkreislauf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung beziehungsweise Regeneration eines Schmiermittels einer Brennkraftmaschine.
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Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, werden in das Schmiermittel der Brennkraftmaschine verschiedene Medien eingetragen. Dies sind zum einen unterschiedliche Kondensate aus Verbrennungsrückständen, welche zum Beispiel Wasser oder Säuren enthalten. Zum anderen werden Kraftstoffbestandteile unverbrannt in das Motoröl übertragen. Dieser Effekt ist im Kurzstreckenbetrieb der Brennkraftmaschine besonders stark ausgeprägt, da bei niedrigen Schmiermitteltemperaturen diese fremden Bestandteile nur unzureichend aus dem Schmiermittel wieder ausgeschieden werden. Demgegenüber erwärmt sich das Schmiermittel bei einem längeren, vorzugsweise unterbrechungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine derart, dass die fremden Bestandteile durch Ausgasung aus dem Schmiermittel ausgeschieden werden.
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Durch den Eintrag von fremden Bestandteilen in das Schmiermittel kann dessen Schmierfähigkeit herabgesetzt werden. Auch ist es möglich, dass der Eintrag von unverbranntem Kraftstoff größer ist als der übliche Schmiermittelverbrauch, was einen Anstieg des Schmiermittelvolumens zur Folge hat. Übersteigt das Schmiermittelvolumen einen kritischen Betrag, kann es über die Kurbelgehäuseentlüftung zu einer unerwünschten Ansaugung des Schmiermittels kommen. Daher wird üblicherweise bei einem hohen Anteil an Kurzstreckenfahrten ein verkürztes Wechselintervall für das Schmiermittel empfohlen. Ferner kann eine Überwachung des Schmiermittelfüllstands durch geeignete Sensoren erfolgen, sodass bei einem Überschreiten eines kritischen Schmiermittelfüllstands eine Information zur Kontrolle beziehungsweise eine Empfehlung zum Wechsel des Schmiermittels angezeigt wird.
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Um den problemlosen Betrieb der Brennkraftmaschine bei allen Fahrtzuständen und Kraftstoffsorten abzusichern, ist ein hoher, insbesondere sensorischer Aufwand erforderlich und/oder es entstehen gegebenenfalls erhöhte Betriebskosten durch häufige Schmiermittelwechsel.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung und Reinigung beziehungsweise Regeneration eines Schmiermittels einer Brennkraftmaschine ist aus der Druckschrift
DE 103 18 784 B4 bekannt. Diese zeigt einen Filter mit einer semipermeablen Membran, der den Kraftstoff der Brennkraftmaschine von dem Schmiermittel trennt.
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Aus der Druckschrift
DE 25 40 773 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Abtrennen von Verunreinigungen aus dem Schmiermittel bekannt. In dieser Druckschrift wird gelehrt, dass durch eine Wärmeeinwirkung mittels einer elektrischen Heizeinrichtung im Schmiermittel befindliche Fremdbestandteile zum Verdampfen gebracht werden können.
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Die Druckschrift
DE 28 41 263 A1 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zur Behandlung eines Schmiermittels. Bei dieser Vorrichtung ist im Ölsumpf der Brennkraftmaschine ein Wärmetauscher angeordnet, der mittels der Wärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine die Viskosität des Schmiermittels verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine derart auszubilden, dass das Schmiermittel der Brennkraftmaschine von dessen Verunreinigungen getrennt wird und so die Schmierfähigkeit des Schmiermittels und eine Begrenzung der Volumenzunahme des Schmiermittels unter nahezu allen Betriebszuständen sichergestellt ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der in einem Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs eine Überhitzungseinrichtung zur Erwärmung des Schmiermittels vorgesehen ist, wobei die Überhitzungseinrichtung als ein Wärmetauscher ausgeführt und mit einem Nebenstrang des Abgasstrangs verbunden ist. Durch die Erwärmung nur eines Teilstroms des Schmiermittels ist es möglich, mit einem geringen Einsatz von Energie das Schmiermittel auf eine Temperatur zu erwärmen, die oberhalb eines zur Ausgasung fremder Bestandteile aus dem Schmiermittel geeigneten Schwellenwerts liegt. Gerade bei Kurzstreckenfahrten liefern die Abgase der Brennkraftmaschine schnell und zuverlässig eine ausreichend hohe Temperatur, um bedarfsweise den Schmiermittelteilstrom zu erwärmen.
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Vorteilhaft ist es, dass die Überhitzungseinrichtung abgasseitig eine Abgasventileinrichtung zur Reduzierung des Abgasteilstroms aufweist. Hierdurch ist es möglich, die Wärmezufuhr aus dem Abgas zu drosseln oder zu sperren. Die durch die Überhitzungseinrichtung geleitete Abgasmenge kann somit in Abhängigkeit der Eigenschaften des Schmiermittels und/oder in Abhängigkeit weiterer Anforderungen der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Erwärmung des Katalysators, beeinflusst werden. Weiterhin ist es günstig, dass die Überhitzungseinrichtung schmiermittelseitig eine Schmiermittel-Ventileinrichtung zur Reduzierung des Schmiermittelteilstroms aufweist. Hierdurch ist es möglich, die Wärmezufuhr in des Schmiermittel zu drosseln oder zu sperren. Dies kann in Abhängigkeit der im Abgas verfügbaren Wärmeenergie oder der Eigenschaften des Schmiermittels erfolgen. Ist beispielsweise nur ein geringer Volumenstrom des Abgases zur Überhitzung des Schmiermittels, verfügbar, kann der Schmiermittelstrom darauf angepasst werden.
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Es hat sich als geeignet erwiesen, dass der Nebenstrang als eine Abgasrückführung ausgeführt ist. Eine Abgasrückführung wird üblicherweise auch mit ”AGR” abgekürzt. Durch die Erwärmung des Schmiermittels wird zugleich dem Abgas Wärme entzogen. Dies hat zur Folge, dass bei einer Anordnung der Überhitzungseinrichtung in der Abgasrückführung die erforderliche Leistung des AGR-Kühlers und somit auch dessen Bauraumbedarf geringer ausfallen. Die Überhitzungseinrichtung ist dabei entweder parallel oder seriell zu dem AGR-Kühler angeordnet. Weiterhin ist es möglich, dass die Überhitzungseinrichtung die Funktion des AGR-Kühlers kompensiert und diesen ersetzt.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, bei welcher der Nebenstrang als eine Umgehung der Turbine des Turboladers ausgeführt ist. Da in der Überhitzungseinrichtung dem Abgas kontrolliert Wärme entzogen wird, ist es möglich, Einfluss auf die Abgastemperatur in Strömungsrichtung nach der Turbine zu nehmen. Ein Turbolader umfasst in der Regel eine Wastegateeinrichtung. Die Wastegateeinrichtung ist eine Umgehung, in der ein Wastegateventil angeordnet ist. Mittels des Wastegateventils ist der Volumenstrom in der Umgehung einstellbar. Die Überhitzungseinrichtung ist in einer Ausführungsvariante parallel zu der Wastegateeinrichtung angeordnet. Bei einer anderen Ausführungsvariante ist die Abgasventileinrichtung der Überhitzungseinrichtung als Wastegateventil ausgeführt.
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Der Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs kann als ein Schmiermittelvorlauf ausgeführt sein. Es hat sich als dienlich erwiesen, dass der Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs ein Schmiermittelrücklauf ist. Da das Schmiermittel den Schmiermittelrücklauf nahezu frei von einem Überdruck gegenüber der Umgebung durchströmt, kann die Überhitzungseinrichtung konstruktiv einfacher und bauraumoptimierter ausgeführt werden. Der Nebenlauf kann beispielsweise als Schmiermittelrücklauf im Zylindergehäuse, der Brennkraftmaschine oder auch außerhalb des Zylindergehäuses als Schmiermittelleitung eines Turboladers ausgeführt sein. Durch eine Anordnung der Überhitzungseinrichtung in einem Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs, insbesondere außerhalb des Schmiermittelsumpfs, wird die Gefahr der Verkokung des Schmiermittels reduziert.
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Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, dass der Überhitzungseinrichtung ein Ausgasungsvolumen zugeordnet ist. Hierdurch ist eine leistungsfähige Trennung des Schmiermittels von Gasen und Dämpfen möglich. Das Ausgasungsvolumen ist vorzugsweise mit der Überhitzungseinrichtung, mit dem Schmiermittelkreislauf und zumindest mittelbar mit einer Frischgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden. Dabei strömen Gas und flüssiges Schmiermittel aus der Überhitzungseinrichtung in das Ausgasungsvolumen und trennen sich dort. Das abgeschiedene Schmiermittel wird über eine Schmiermittelöffnung indem Ausgasungsvolumen dem Schmiermittelkreislauf zugeführt. Gas und Dampf werden über eine Gasöffnung und eine Gasableitung, vorzugsweise gemeinsam mit dem Blowby-Gas aus dem Kurbelwellenraum der Brennkraftmaschine, der Frischgasleitung der Brennkraftmaschine zugeführt. Die Anbindung der Gasableitung erfolgt vorzugsweise zwischen Drosselklappe und Einlassventil der Frischgasleitung. In dem Ausgasungsvolumen ist die Gasöffnung dabei, bezogen auf das Schwerefeld der Erde, oberhalb der Schmiermittelöffnung angeordnet. Bei der Verbindung der Gasöffnung mit dem Blowby-System wird der Unterdruck im Blowby-System ausgenutzt, um das Gas und den Dampf aus dem Ausgasungsvolumen abzuziehen.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit zumindest einem der vorstehend genannten Merkmale, vorgesehen. Bei dem Verfahren wird ein Teilstrom des Schmiermittels auf eine Übertemperatur oberhalb der der aktuellen durchschnittlichen Schmiermitteltemperatur, insbesondere oberhalb eines Schwellenwerts, erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt permanent oder bei Auftreten kritischer Zustände hinsichtlich des Schmiermittelvolumens beziehungsweise der gemessenen oder modellierten Schmierfähigkeit. Die Übertemperatur ist ein Temperaturbereich, welcher nach unten durch den Schwellenwert und nach oben durch einen Grenzwert eingefasst ist.
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Eine Regelung der Übertemperatur kann beispielsweise auf Basis der gemessenen oder modellierten Abgastemperatur am Eintritt der Überhitzungseinrichtung sowie gegebenenfalls auf. Basis des durch Messung oder Modellierung ermittelten Abgasmassenstroms beziehungsweise Schmiermittelvolumenstroms erfolgen. Auch ist eine Regelung der Übertemperatur auf Basis des gemessenen oder modellierten Schmiermittelvolumens oder der Schmiermitteldichte möglich. Bevorzugt wird zur Regelung der Übertemperatur die Schmiermitteltemperatur in Strömungsrichtung des Schmiermittels nach der Überhitzungseinrichtung erfasst. Dies ermöglicht eine einfache und betriebssichere Regelung des Abgasmassenstroms. Hierzu ist zwischen der Überhitzungseinrichtung und dem Ausgasungsvolumen oder in Strömungsrichtung des Schmiermittels nach dem Ausgasungsvolumen ein Schmiermittel-Temperatursensor vorgesehen. In Abhängigkeit der von dem Schmiermittel-Temperatursensor erfassten Schmiermitteltemperatur wird die Abgasventileinrichtung angesteuert und so der Abgasmassenstrom in der Überhitzungseinrichtung eingestellt. Der Schwellenwert für die an dem Schmiermittel-Temperatursensor erfasste Temperatur beträgt 90°C oder bevorzugt 100°C, besser 120°C, ideal 130°C.
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Der Grenzwert für die an dem Schmiermittel-Temperatursensor erfasste Temperatur beträgt 160°C oder besser 150°C, optimal 140°C, da mit höheren Temperaturen die Gefahr der Verkokung des Schmiermittels steigt. Vorteilhaft ist es, dass bei einem Überschreiten des Grenzwerts, also der maximal gewünschten Schmiermitteltemperatur, zuerst mittels der Abgasventileinrichtung der Nebenstrang des Abgasstrangs geschlossen wird, bevor mittels der Schmiermittelventileinrichtung der Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs geschlossen wird. Hierdurch wird vermieden, dass es in der Überhitzungseinrichtung zu einem anhaltenden Überschreiten des Grenzwerts oder einem Wärmestau oberhalb des Grenzwerts kommt. So wird eine Verkokung des Schmiermittels in der Überhitzungseinrichtung konsequent verhindert.
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Günstig ist es, dass nach und/oder bei der Erwärmung des Schmiermittels gas- und/oder dampfförmige Teile des Schmiermittels der Frischgasleitung zugeführt werden. Hierdurch ist es möglich, dass diese Teile, welche insbesondere aus Kondensaten und unverbranntem Kraftstoff bestehen, verbrannt werden, wodurch der Schadstoffausstoß reduziert wird. Das Schmiermittel ist ein Öl, beispielsweise ein Mineralöl, ein Teilsynthetiköl oder ein Synthetiköl.
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Mittels der erfindungsgemäßen Erwärmung des Schmiermittels kann das Wechselintervall des Schmiermittels für den Kurzstreckenbetrieb reduziert oder ganz zurückgenommen werden. Ferner ist es möglich, den minimalen und/oder maximalen Schmiermittel-Füllstand mittels einfacher, preiswerter Sensoren zu überwachen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren sinken somit die Betriebskosten der Brennkraftmaschine und das Risiko von Schäden durch Mangelschmierung und/oder Ölreißen. Weiterhin kann im Warmlaufbetrieb die Wärmeabgabe des Abgases an das Schmiermittel genutzt werden, um dieses schneller zu erwärmen und resultierend die Reibung in der Brennkraftmaschine herabzusetzen. Daraus ergibt sich ein geringerer Kraftstoffverbrauch.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine;
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der in den 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschine;
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4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der in den 1 bis 3 dargestellten Brennkraftmaschine;
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5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der in den 1 bis 4 dargestellten Brennkraftmaschine;
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6 eine schematische Darstellung einer Überhitzungseinrichtung für die in den 1 bis 5 dargestellte Brennkraftmaschine.
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Die 1 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 hat einen Abgasstrang 2 und einen Schmiermittelkreislauf 3. Der Abgasstrang 2 umfasst alle Abgasleitungen und die in den Abgasleitungen angeordneten Einrichtungen. Der Abgasstrang 2 umfasst insbesondere einen Abgaskrümmer 4, eine Abgasrückführung 5 mit einem AGR-Ventil 6 und einem AGR-Kühler 7 und eine Turbine 8 eines Turboladers 9 sowie eine Wastegateeinrichtung 10 mit einer Umgehung 11 der Turbine 8 und einem Wastegateventil 12. Durch einen Auslass 13 gelangt das Abgas der Brennkraftmaschine 1 schließlich in die Umgebung 14. Das Frischgas für die Brennkraftmaschine 1 wird der Umgebung 14 an einem Einlass 15 entnommen und wird dem Verbrennungsprozess über einen Verdichter 16 des Turboladers 9, einen Frischgaskühler 17, eine Drosselklappe 18 und ein Saugrohr 19 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Die Strömungsrichtung des Frischgases beziehungsweise des Abgases ist mittels der Pfeile 20 angedeutet.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Nebenstrang des Abgasstrangs 2 als eine Abgasrückführung 5 ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 1 hat zwei unabhängige Abgasrückführungen 5, wobei die Überhitzungseinrichtung 21 parallel zu dem AGR-Kühler 7 angeordnet ist.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Nebenstrang des Abgasstrangs 2 als eine Abgasrückführung 5 ausgeführt. Jedoch sind hier die Überhitzungseinrichtung 21 und der AGR-Kühler 7 seriell in einer gemeinsamen Abgasrückführung 5 angeordnet. Die Abgasventileinrichtung 25 ist zugleich das AGR-Ventil 6.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Nebenstrang des Abgasstrangs 2 ebenso als eine Abgasrückführung 5 ausgeführt. Jedoch sind die Überhitzungseinrichtung 21 und der AGR-Kühler 7 als ein insbesondere einteiliges Modul ausgeführt. Die Abgasventileinrichtung 25 und das AGR-Ventil 6 sind auch als ein Bauteil ausgeführt.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Der Nebenstrang des Abgasstrangs 2 ist dabei als eine Umgehung 11 der Turbine 8 des Turboladers 9 ausgeführt. Die Überhitzungseinrichtung 21 ist dabei parallel zu der Wastegateeinrichtung 10 angeordnet.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Auch hier ist der Nebenstrang des Abgasstrangs 2 als eine Umgehung 11 der Turbine 8 des Turboladers 9, ausgeführt. Jedoch ist die Überhitzungseinrichtung 21 in der Wastegateeinrichtung 10 angeordnet. Dabei sind eine Abgasventileinrichtung 25 und das Wastegateventil 12 als ein insbesondere einteiliges Modul ausgeführt.
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Überhitzungseinrichtung 21 für das Schmiermittel. Die Überhitzungseinrichtung 21 ist in einem Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs 3 angeordnet. Der Nebenlauf wird von einem Teil des Schmiermittels durchströmt. Die Überhitzungseinrichtung 21 ist als ein Wärmetauscher ausgebildet und zur Erwärmung des Schmiermittels mit einem Nebenstrang des Abgasstrangs 2 verbunden. Der Nebenlauf des Schmiermittelkreislaufs 3 ist durch die Anschlussleitungen 22 angedeutet. Der Überhitzungseinrichtung 21 ist ein Ausgasungsvolumen 23 zugeordnet. Das Ausgasungsvolumen 23 ist mit der Überhitzungseinrichtung 21, mit dem Schmiermittelkreislauf 3 und zumindest mittelbar mit der Frischgasseite 24 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Die Überhitzungseinrichtung 21 hat eine Abgasventileinrichtung 25 zur Reduzierung des Abgasteilstroms und eine Schmiermittel-Ventileinrichtung 26 zur Reduzierung des Schmiermittelteilstroms. Die Abgasventileinrichtung 25 ist in Strömungsrichtung des Abgases und die Schmiermittel-Ventileinrichtung 26 ist in Strömungsrichtung des Schmiermittels vor der Überhitzungseinrichtung 21 angeordnet. Das Ausgasungsvolumen 23 hat eine Schmiermittelöffnung 27, über die das Schmiermittel dem Schmiermittelkreislauf 3 zugeführt wird. Weiterhin hat das Ausgasungsvolumen 23 eine Gasöffnung 28, über die Gas und Dampf in eine Gasableitung 29 geleitet werden. Die Anbindung der Gasableitung 29 an die Frischgasseite 24 erfolgt zwischen der Drosselklappe 18 und dem Saugrohr 19 oder im Saugrohr 19. In dem Ausgasungsvolumen 23 ist die Gasöffnung 28, bezogen auf das Schwerefeld der Erde, oberhalb der Schmiermittelöffnung 27 angeordnet. Zur Regelung der Übertemperatur sind im Bereich der Überhitzungseinrichtung 21 ein Schmiermittel-Temperatursensor 30 und ein Abgas-Temperatursensor 31 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Schmiermittelkreislauf
- 4
- Abgaskrümmer
- 5
- Abgasrückführung
- 6
- AGR-Ventil
- 7
- AGR-Kühler
- 8
- Turbine
- 9
- Turbolader
- 10
- Wastegateeinrichtung
- 11
- Umgehung
- 12
- Wastegateventil
- 13
- Auslass
- 14
- Umgebung
- 15
- Einlass
- 16
- Verdichter
- 17
- Frischgaskühler
- 18
- Drosselklappe
- 19
- Saugrohr
- 20
- Pfeil
- 21
- Überhitzungseinrichtung
- 22
- Anschlussleitung
- 23
- Ausgasungsvolumen
- 24
- Frischgasseite
- 25
- Abgasventileinrichtung
- 26
- Schmiermittel-Ventileinrichtung
- 27
- Schmiermittelöffnung
- 28
- Gasöffnung
- 29
- Gasableitung
- 30
- Schmiermittel-Temperatursensor
- 31
- Abgas-Temperatursensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10318784 B4 [0005]
- DE 2540773 A1 [0006]
- DE 2841263 A1 [0007]
