DE102012025436A1

DE102012025436A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012025436A1
Application number: DE201210025436
Authority: DE
Inventors: Andreas Boemer
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: EP2935811A1; WO2014095035A1; EP2935811B1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Schnellstart unter Volllast, umfassend wenigstens eine Heizvorrichtung (5) für das Motorenöl und/oder das Motorkühlmittel und wenigstens eine vom Verbrennungsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine unabhängig zu betreibende Umwälzpumpe (1) zur Umwälzung des Motorenöls und/oder des Motorkühlmittels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Aus der DE-PS 675 496 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die sofort angefahren und möglichst rasch voll belastet werden kann, da sie über je eine Hilfsschmieröl- und Hilfskühlwasserpumpe verfügt, die jeweils parallel zur jeweiligen Hauptpumpe angeordnet ist, und weil sie über einen Kühlwasserausgleichsbehälter verfügt, in dem eine Heizvorrichtung untergebracht ist.
Die DE 44 02 215 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Verbrennungskraftmaschinen durch Einkopplung von Wärmeenergie in das Maschinensystem sowie auf Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind aber auch aus der EP 0 809 752 A1 bekannt.
Daran ist nachteilig, dass bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Vorwärmung des Gesamtmotors, die zum sofortigen Start unter Volllast notwendig wäre, nicht realisiert werden kann. Da nur der Ölwanneninhalt aufgeheizt wird, kann es durch die thermische Entkoppelung der Ölwanne samt Ölinhalt nicht zu einer ausreichenden Vorwärmung des Motorblocks kommen.
Eine sofortige, vollständige Belastung des Motors ist nicht möglich, wie es z. B. für einen Notstromaggregateeinsatz bei einem Netzausfall insbesondere unter winterlichen Bedingungen notwendig wäre.
Zur Kühlwasservorwärmung werden in Verbrennungsmotoren elektrische Widerstandsheizelemente verwendet. Man erwärmt damit bei Bedarf das Kühlwasser vor dem Motorstart und schaltet sie ab, sobald der Motor läuft bzw. wenn das Wasser eine gewisse Temperatur erreicht hat. Im Normalbetrieb sind sie ausgeschaltet, sie stehen aber ununterbrochen in der Wasserströmung und erzeugen einen unerwünschten Druckverlust. Dieser Druckverlust muss durch erhöhte Wasserpumpenleistung kompensiert werden und führt in der Praxis zu verringerten Kühlwassermengen und erhöhtem Kraftstoffverbrauch.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, einen Verbrennungsmotor derart vorzuwärmen, dass dieser in der Lage ist, einen Sofortstart sicher und ökonomisch zu absolvieren.
Die Aufgabe wird insbesondere gemäß der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Wieter ist erfindungsgemäß ein Motor vorgesehen, der mit einer Zusatzeinrichtung versehen ist, die es ermöglicht, dass das z. B. in der Ölwanne befindliche, mittels Fremdenergie beheizte Schmieröl bei Motorstillstand durch den Kühlmantel des Motors gepumpt wird.
Hierdurch wird eine ausreichende Vorwärmung des Motors und Durchölung des Motors ermöglicht, so dass selbst bei tiefen Temperaturen ein spontaner Start des Motors mit sofortiger Lastbeaufschlagung möglich ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung bezüglich des Erwärmens des Motoröls
2 eine schematische Darstellung bezüglich des Erwärmens des Kühlwassers
3 ein Magnetron zur Mikrowellenerzeugung
4 ein am Kurbelgehäuse angeordnetes Magnetron zur Erwärmung des Kühlwassers.
1 zeigt, dass das in der Ölwanne des ölgekühlten Motors durch Fremdenergie, z. B. Elektrizität, mittels eines Heizelements 5 vorgeheizte Schmieröl, z. B. aus der Ölwanne 3, mittels temperaturbeständiger Schlauchleitung oder Rohrleitung entnommen und einer geeigneten, temperaturbeständigen und elektrisch angetriebenen Pumpe 1 des Vorwärmkreislaufs zugeführt wird. Diese Pumpe 1 erzeugt einen Systemdruck von etwa 10 bar und ist während des Stillstands der Verbrennungskraftmaschine ständig in Betrieb. In einer alternativen Ausgestaltung ist eine parallel angeordnete Pumpe vorgesehen, die im Störungsfall der ersten Pumpe sofort anspringt und sicherstellt, dass das vorzuwärmende Öl ständig umgewälzt wird.
Hinter dieser Druckölpumpe 1, die ein Öldruckniveau von ca. 10 bar erzeugen kann, wird ein Sicherheitsventil 2 mit einem Öffnungsdruck von ca. 9 bar derart angebaut, dass eine Ableitung des Schmieröls bei Überschreiten des voreingestellten Druckes zurück in die Ölwanne oder vor Ölpumpe gewährleistet ist.
Dies ist notwendig, um bei kaltem Motor eine Beschädigung des Schmierölsystems, hier insbesondere des Schmierölfilters 13, beim Start der Vorwärmeinheit sicher ausschließen zu können.
Ein Rückschlagventil 12 mit geringem Öffnungsdruck (0,2 bar) verhindert ein Leerlaufen des externen Vorwärmkreislaufes und somit eine Beeinflussung des Schmierölstandes in der Ölwanne, insbesondere bei der Füllstandsmessung der Ölwanne mittels Peilstab. Dieses Rückschlagventil 12 kann vor oder hinter der externen Pumpe, je nach Ansaugvermögen der externen Pumpe, angeordnet werden.
Falls eine ausreichende Vorwärmung des Schmieröls in der Ölwanne 3 mittels der bisher vorgesehenen Heizelemente nicht darstellbar ist, wird das Schmieröl in einen druckfesten Boilertank 4 gefördert, in dem es durch ein thermostatgesteuertes, mit Fremdenergie, z. B. elektrisch, beheiztes Heizelement 5 auf ein zur Motorvorwärmung ausreichendes Temperaturniveau aufgeheizt wird.
Das Heizelement wird durch eine geeignete Temperaturüberwachung abgesichert mittels Temperatursensor 6, der dem Steuergerät 11 die Temperatur des Öls mitteilt, wobei das Steuergerät 11 das Heizelement 5 ansteuert, so dass es z. B. beim Ausfall der Förderpumpe 1 nicht zu einer Überhitzung des Boilertanks 4 kommen kann. Im Fall des Erreichens der oberen Grenztemperatur des Öls schaltet das Steuergerät 11 das Heizelement 5 ab, um Strom zu sparen.
In diese Sicherheitsschaltung können optional auch noch weitere Temperatursensoren, die sich am Motor oder in Motornähe befinden, zur Absicherung gegen Übertemperaturen eingebunden werden.
Aus dem Boilertank wird das vorgewärmte Schmieröl durch ein bis zu 140°C dauerfest temperaturbeständiges Rückschlagventil 7 mit einem Regeldruck von etwa 1 bar an der mit X gekennzeichneten Stelle in den Schmierölkreislauf eingespeist.
Hierdurch wird der Kühlmantel des Motors mit wärmendem Öl durchströmt und alle Schmierstellen bis hin zum Turbolader mit vorgewärmtem Schmieröl versorgt.
Das Rückschlagventil 7 verhindert beim Start des Motors ein Rückfließen des Schmieröls in die Vorwärmeinheit.
Durch die im Motorölkreislauf vorhandenen Druckregelventile 8 stellt sich ein Schmieröldruckniveau an den Lagerstellen wie im Motorbetrieb ein.
Da die Motoren mit einem in den Ölkreislauf eingebundenen Ölkühler 9 ausgerüstet sind, der geeignet ist, die im Normalbetrieb entstehende Motorwärme abzuführen, kann dieser ebenfalls als Übertemperatursicherung fungieren. Durch den im Motor vorhandenen Thermostat 10 wird beim Erreichen einer ausreichenden Motortemperatur der angebaute Ölkühler in den Ölstrom der Heizvorrichtung mit einbezogen.
Hierdurch ergibt sich eine zuverlässige Temperaturregelung für die Stand-by-Phase des Motors. Die Vorheizeinrichtung 5 wird mit dem Start des Motors ausgeschaltet. Beim Start des Motors übernimmt die Ölpumpe 14 des Motors die Förderfunktion des Öls und erwärmt den Motor und seine Fluide im laufenden Betrieb. In einer alternativen Ausgestaltung ist auch ein verzögertes Ausschalten durch eine einstellbare Zeitstufe vorgesehen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist die Kombination einer Temperaturregelung und einer Drehzahlregelung der Pumpe 1 vorgesehen, die temperaturgeregelt und auch in Kombination einer Druck- und Temperatursteuerung ausgeführt ist, was sich vorteilhaft auf die Betriebskosten auswirkt.
In einer anderen alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit des Motors in einem gesonderten Vorwärmkreislauf mit einer eigenen Pumpe 1 und einem eigenen Boilertank 4 sowie einem gesonderten Heizelement 5 und dem zugehörigen Temperatursensor 6, die mit dem Steuergerät 11 kommunizieren, gefördert und vorgewärmt wird. Auch hier wird die Vorheizeinrichtung 5 mit dem Start des Motors ausgeschaltet bzw. ist ein verzögertes Ausschalten durch eine einstellbare Zeitstufe vorgesehen. Die Förderung der Fluide und somit die Erwärmung des Motors erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch die Ölpumpe 14 des Motors und die nicht dargestellte Kühlwasserpumpe des Motors. Mit einem Mikrowellengenerator 5 (Magnetron, 1,5–4,5 GHz) kann das Wasser berührungslos aufgewärmt werden. Somit wird im Normalbetrieb des Wasserkreislaufs auch kein Druckverlust erzeugt.
2 zeigt einen Mikrowellengenerator 5, der am Kurbelgehäuse 19 der Brennkraftmaschine 16 angeordnet ist und dort durch ein Glasfenster 20 hindurch das Kühlmittel, z. B. Kühlwasser 23, erwärmt. Die Temperatur im Kurbelgehäuse des Motors 16 wird mittels Temperatursensor 15 ermittelt und ans Steuergerät 11 weitergeleitet. Das Steuergerät 11 sendet beim Unterschreiten eines einstellbaren Temperaturwertes ein Steuersignal an den Mikrowellengenerator 5 und bringt diesen dazu, dass er das Kühlwasser durch das Glasfenster 20 hindurch erwärmt. Der Motor 16 weist einen Motorkühlmittelthermostat 10 auf, der dafür sorgt, dass ab einer definierten Temperatur das Kühlwasser durch den Kühler 9 strömen kann. Der Kühler 9 verfügt über einen Temperatursensor 15, der die Kühlertemperatur ans Steuergerät 11 weiterleitet. Vom Kühler gelangt das Kühlwasser in den Boiler 17, dessen Kühlwassertemperatur von einem Temperatursensor 15 ans Steuergerät weitergeleitet wird. Der Boiler 17 verfügt über ein Überdruckventil 18, das den Boiler vor zu hohen Drücken schützen soll. Zwischen dem Boiler 17 und dem Motor 16 bzw. dem Wassermantel 23 des Kurbelgehäuses 19 ist eine Kühlwasserpumpe 1 angeordnet, die das Kühlwasser zirkulieren lässt.
In 3 wird ein Magnetron 5, wie es in 2 am Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 16 angeordnet ist, gezeigt. Ein solcher Mikrowellengenerator 5 kann an einer beliebigen Stelle des Wassermantels angebracht werden. Optimal ist die Anbringung unten am Kurbelgehäuse 19. Beispielsweise kann ein sogenannter ”Froststopfen” durch ein geeignetes Fenster 20 ersetzt werden, wie dies in 4 dargestellt wird.
Die im Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen dringen durch ein gegen das Kurbelgehäuse abgedichtetes Fenster aus Glas, Keramik oder Kunststoff in den Wassermantel ein. Sie können an den metallischen Wänden des Kurbelgehäuses und der Zylinder reflektieren und auf ihrem Weg durch den Wassermantel ihre Energie vollständig an das Wasser abgeben.
Ein unerwünschtes Verlassen der Mikrowellen aus dem Wassermantel ist nicht möglich, da der Wassermantel ein hermetisch geschlossenes System ist. Bei angemessener Wahl der Leistung und der Einspeisungsstelle des Mikrowellengenerators besteht auch keine Gefahr der lokalen Überhitzung, da sich im Wassermantel eine natürliche Konvektion einstellt, die zur Verteilung der Wärme führt.
Die Energieversorgung des Mikrowellengenerators würde wie bei den Widerstandsheizelementen aus einem externen Stromnetz erfolgen. Bei den Widerstandsheizelementen wird nach der Anwendung nur das Netzkabel abgezogen, das Heizelement selbst verbleibt im bzw. am Motor. Der Mikrowellengenerator 5 kann aber mitsamt dem Netzkabel komplett vom Motor entfernt werden, da er beim Einsatz des Motors nicht mitgeführt werden muss. Deshalb ist in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen, dass der Mikrowellengenerator 5 mit einer einfach zu betätigenden Steck- oder Klemmverbindung befestigt werden. Es kann auf handelsübliche Mikrowellengeneratoren zurückgegriffen werden, da keine besonderen Anforderungen an die Robustheit oder die Kompaktheit gestellt zu werden brauchen. Bei einem Defekt des Mikrowellengenerators braucht zudem das Kühlwasser nicht abgelassen zu werden, was bei einem defekten Widerstandsheizelement der Fall ist.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe des Vorwärmkreislaufs
2: Sicherheitsventil
3: Ölwanne
4: Boilertank
5: Heizelement
6: Temperatursensor
7: Rückschlagventil
8: Druckregelventil
9: Motorkühlmittelwärmetauscher
10: Motorkühlmittelthermostat
11: Steuergerät
12: Rückschlagventil
13: Schmierölfilter
14: Motorölpumpe
15: Temperatursensor
16: Motor
17: Motorkühlmittelausgleichsbehälter
18: Überdruckventil
19: Kurbelgehäuse
20: Fenster im Kurbelgehäuse
23: Motorkühlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 675496 [0002]
DE 4402215 A1 [0003]
EP 0809752 A1 [0004]

Claims

Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Schnellstart, umfassend wenigstens eine Heizvorrichtung (5) für das Motorenöl und/oder das Motorkühlmittel und wenigstens eine vom Verbrennungsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine unabhängig zu betreibende Umwälzpumpe (1) zur Umwälzung des Motorenöls und/oder des Motorkühlmittels.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen elektrischen Generator aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kühlmittel Wasser und/oder Öl aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (5) in oder an der Ölwanne und/oder in oder am Kühlwasserkreislauf und/oder in oder an einem zusätzlichen Boilertank (4) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Temperatursensor (6) zur Ermittlung der Motorenöl- und/oder der Motorkühlmitteltemperatur aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein Rückschlagventil (7) im Motorenöl- und/oder im Motorkühlmittelkreislauf aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein Sicherheitsventil (2) im Motorenöl- und/oder im Motorkühlmittelkreislauf aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Motorenöl- und/oder Motorkühlmittelwärmetauscher (9) aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Motorenöl- und/oder Motorkühlmittelthermostat (10) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche aufweist und das Motorenöl und/oder das Motorkühlmittel insbesondere im Stillstandsbetrieb durch das Zusammenwirken von Heizvorrichtung (5) in elektrischer Verbindung mit Temperatursensor (6), Motorkühlmittelthermostat (10) auf Temperaturen von etwa 40 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius erwärmt.